热水、冷水谁先结冰，科学家也很懵?如果有人问你：“冷水和热水哪个先结冰？”相信你一定会觉得这个提问的人是不是傻了，当然是冷水先结冰了。然而，
事实上有时候还真未必。特定条件下可能热水结冰比冷水还要快，这是怎么回事呢？?其实，历史上诸多学者如亚里士多德、培根和笛卡尔等都曾对
类似现象有所描述但是均未能给出完美的解释。甚至现代科学家们面对这样一个“简单”的问题也仍然存在争议。?颠覆常识的姆潘巴现象?说起来
，这个既简单又复杂的物理现象还有一个有趣的故事。?1963年的一天，坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他
还在煮牛奶时，身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了，眼看就要没有位置了，一时心急，姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一
个半小时后，他惊奇的发现，他的冰激凌已经冻结成块，而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反
。但为什么相反呢？姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中，先后请教了多位物理老师都没有答案，甚至有位老师讥讽地说：“看来有两种物理，一种
是放置四海皆准的物理，一种是‘姆潘巴物理’。”?倔强的姆潘巴仍不停地寻找答案，直到他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他
们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。博士并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻，而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水实
验，结果都观察到了姆潘巴提到的奇怪现象，于是，博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究，并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论
文，引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体（非纯水）先结冰的现象，命名为“姆潘
巴现象”。?姆潘巴现象背后的几种解释?为了解释为什么有时候热水结冰比冷水快，50多年来，许多物理学研究者先后对此现象进行了大量的研
究，尝试着从不同的角度去解释。?冰霜融化说据了解，为了研究姆潘巴现象，很多学者进行了实验观察。液体表面凝结的冰霜会影响其向周围导热
的速率。冰霜导热性比水差，热水使得冰霜融化，减少了其阻碍作用，优化传热。不过有充分的证据证明，在试验过程中全部排除冰霜的干扰或抑制
冰霜的融化，姆潘巴现象依然存在。因此，这种说法并不成立。?水汽蒸发说一些学者相信，热水温度较高导致水蒸发的速率变快是造?成姆潘巴现
象的首要原因，因为蒸发使得水分子减少，要冻结的水分子也相应变少，所以加速了热水结冰速度。不过，一些科学家对结冰前后水的质量进行了测
量，发现质量差从未超过3%，尽管蒸发后的水减少了，但是这3%的水分子并不能够显著影响水结冰需要的时间。与此同时，水汽蒸发过程中消耗
的热量也不能够忽视，可惜的是，对于热量消耗的对照试验并不容易实现，因为它需要对开放容器和密闭容器进行测量，但是在密闭环境下，水汽蒸
发和热量的传导都会受到阻碍，无法测量单一变量的影响。?可溶解气体说温度越高，气体在水中的溶解度就越小，因此热水里溶解的气体要少于冷
水，由于水在溶解一些气体后凝固点会降低，而热水的气体含量更低，凝固点也相应变高，这可能是热水结冰较快的一个原因，同时也有实验发现脱
气水比非脱气水结冰更快。?热梯度对流说热梯度对流观点认为，热水比冷水结冰更快是因为对流的增加。由于水的冷却是从容器的表面以及侧面开
始，使得冷水下沉，热水上升，因此产生对流。当热水放入低温环境中，靠近容器的水迅速降温，而内部水温不变，这样就产生了温度差并引起热对
流。在冷却的过程中，这个热对流一直存在，温差越大对流就越激烈，水冷却就越快。?过冷现象说2013年初，英国皇家化学会特意举办了一场
比赛，评选姆潘巴现象的最佳原理解释。而比赛获胜者提出的解释就是过冷现象。过冷现象是指液体或气体的温度到其凝固点以下，但是却没有凝固
的现象，而原本温度较低的水比原本温度较高的水更易发生过冷，那么它的确可能比热水结冰更慢。?目前，尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有
人都信服的完美解释，但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。?并非所有时候热水结冰都比冷水快?正如开头所申明的，热水结冰比
冷水快只是“有时候”，也就是说这并不是一个必然现象。《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志曾对这一现象进行过历时1年的讨论，其
中有12篇“实验报告”，偶有成功之例。这说明姆潘巴现象确实存在，但控制条件难寻，复现不易。这也就意味着，姆潘巴现象只是在特定条件下
出现的物理现象，而不能一般性地得出“热水比冷水先结冰”?的物理结论。?针对这一问题，记者采访了中国科学院物理研究所李治林博士。他指
出，因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰，甚至有一种说法认为，通常环境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它们在热水中繁殖得
更快，这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核，成为其优先结冰的优势条件。而一些研究者用更加纯净的水进行实验时，
常常不能重复这样的结果。?此外，水本身因氢键的存在，性质复杂多变；而水降温结冰更是多因素且动态的过程。因此，李治林表示，姆潘巴效应
并不普遍成立，应当以更加审慎的态度对待和研究这一现象。?相关链接〉〉研究姆潘巴现象有啥意义?那么对姆潘巴现象的研究有意义吗？李治林
认为，有意义，而且很重要。水是一种性质独特的物质，有着非常丰富的物理现象，且在工业生产和生命科学中扮演极其重要的角色，然而人类目前
对水的研究还很不透彻。?“30摄氏度的水”与“从100摄氏度冷却到30摄氏度的水”一样吗？这个问题看上去毫无意义，似乎理所当然，但
事实可能并非如此。实际上，许多物理量和物理现象不仅取决于物质所处的状态，而且与其历经过程密切相关，最终结果是否一样还是需要实验研究
来确认。例如，由于冶金技术在工业上的价值，人类对钢铁的研究非常详细。众所周知，不同初始温度、不同降温速率处理过的钢铁，性质有很大不
同，其中晶粒的特点和形成过程也有所不同。类似地，实验研究发现，不同过程和条件下产生的冰，晶体结构和物理性质也有很大不同。?尽管我们
很早就知道“常压下水在0摄氏度结冰”但这个温度其实只是一个范围，冰也有各种不同的冰。?然而，对于水，很遗憾，由于微观上太复杂，我们对其更细节的性质还知之甚少。但有一点是肯定的，科学不能“想当然”，实验才是检验真理的最终标准。正是科学家们看似无聊的“较真”、严谨的质疑、严格的检验、不断的追求，才促进科学不断地接近真理。?据科技日报20171201《皖江晚报》 |
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