讓科學(xué)家懵圈的結(jié)冰問(wèn)題

如果有人問(wèn)你：“冷水和熱水哪個(gè)先結(jié)冰？”相信你一定會(huì)覺(jué)得這個(gè)提問(wèn)的人是不是傻了，當(dāng)然是冷水先結(jié)冰了。然而，事實(shí)上有時(shí)候還真未必。特定條件下可能熱水結(jié)冰比冷水還要快，這是怎么回事呢？

其實(shí)，歷史上諸多學(xué)者如亞里士多德、培根和笛卡爾等都曾對(duì)類似現(xiàn)象有所描述，但是均未能給出完美的解釋。甚至現(xiàn)代科學(xué)家們面對(duì)這樣一個(gè)“簡(jiǎn)單”的問(wèn)題也仍然存在爭(zhēng)議。

顛覆常識(shí)的姆潘巴現(xiàn)象

說(shuō)起來(lái)，這個(gè)既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的物理現(xiàn)象還有一個(gè)有趣的故事。

1963年的一天，坦桑尼亞的一個(gè)初中生姆潘巴和小伙伴們一起用牛奶制作冰激凌。當(dāng)他還在煮牛奶時(shí)，身旁的小伙伴已經(jīng)陸續(xù)把牛奶晾涼開(kāi)始往冰箱里塞了，眼看就要沒(méi)有位置了，—時(shí)心急，姆潘巴就把煮熱的牛奶直接放進(jìn)了冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，他的冰激凌已經(jīng)凍結(jié)成塊，而其他小伙伴的冰激凌卻還是黏稠狀。這與我們對(duì)熱現(xiàn)象的直觀理解以及經(jīng)驗(yàn)直覺(jué)完全相反。但為什么相反呢？姆潘巴帶著這個(gè)疑惑從初中直到高中，先后請(qǐng)教了多位物理老師都沒(méi)有答案，甚至有位老師譏諷地說(shuō)：“看來(lái)有兩種物理，一種是放置四海皆準(zhǔn)的物理，一種是‘姆潘巴物理?！?/p>

倔強(qiáng)的姆潘巴仍不停地尋找答案，直到他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系主任奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問(wèn)的機(jī)會(huì)，又提出了自己的疑問(wèn)。博士并沒(méi)有對(duì)姆潘巴的問(wèn)題嗤之以鼻，而是回到實(shí)驗(yàn)室按照姆潘巴的陳述進(jìn)行了冷熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷熱水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了姆潘巴提到的奇怪現(xiàn)象，于是，博士邀請(qǐng)姆潘巴和他一起對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行研究，并于1969年共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，引起學(xué)界廣泛關(guān)注。于是人們將這個(gè)在同等體積和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結(jié)冰的現(xiàn)象，命名為“姆潘巴現(xiàn)象”。

姆潘巴現(xiàn)象背后的幾種解釋

為了解釋為什么有時(shí)候熱水結(jié)冰比冷水快，50多年來(lái)，許多物理學(xué)研究者先后對(duì)見(jiàn)象進(jìn)行了大量的研究，嘗試著從不同的角度去解釋。

冰霜融化說(shuō)

據(jù)了解，為了研究姆潘巴現(xiàn)象，很多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。液體表面凝結(jié)的冰霜會(huì)影響其向周圍導(dǎo)熱的速率。冰霜導(dǎo)熱性比水差，熱水使得冰霜融化，減少了其阻礙作用，優(yōu)化傳熱。不過(guò)有充分的證據(jù)證明，在試驗(yàn)過(guò)程中全部排除冰霜的干擾或抑制冰霜的融化，姆潘巴現(xiàn)象依然存在。因此，這種說(shuō)法并不成立。

水汽蒸發(fā)說(shuō)

一些學(xué)者相信，熱水溫度較高導(dǎo)致水蒸發(fā)的速率變快是造成姆潘巴現(xiàn)象的首要原因，因?yàn)檎舭l(fā)使得水分子減少，要凍結(jié)的水分子也相應(yīng)變少，所以加速了熱水結(jié)冰速度。不過(guò)，一些科學(xué)家對(duì)結(jié)冰前后水的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差從未超過(guò)3%，盡管蒸發(fā)后的水減少了，但是這3%的水分子并不能夠顯著影響水結(jié)冰需要的時(shí)間。與此同時(shí)，水汽蒸發(fā)過(guò)程中消耗的熱量也不能夠忽視，可惜的是，對(duì)于熱量消耗的對(duì)照試驗(yàn)并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰獙?duì)開(kāi)放容器和密閉容器進(jìn)行測(cè)量，但是在密閉環(huán)境下，水汽蒸發(fā)和熱量的傳導(dǎo)都會(huì)受到阻礙，無(wú)法測(cè)量單一變量的影響。

可溶解氣體說(shuō)

溫度越高，氣體在水中的溶解度就越小，因此熱水里溶解的氣體要少于冷水，由于水在溶解一些氣體后凝固點(diǎn)會(huì)降低，而熱水的氣體含量更低，凝固點(diǎn)也相應(yīng)變高，這可能是熱水結(jié)冰較快的一個(gè)原因，同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脫氣水比非脫氣水結(jié)冰更快。

熱梯度對(duì)流說(shuō)

熱梯度對(duì)流觀點(diǎn)認(rèn)為，熱水比冷水結(jié)冰更快是因?yàn)閷?duì)流的增加。由于水的冷卻是從容器的表面以及側(cè)面開(kāi)始，使得冷水下沉，熱水上升，因此產(chǎn)生對(duì)流。當(dāng)熱水放入低溫環(huán)境中，靠近容器的水迅速降溫，而內(nèi)部水溫不變，這樣就產(chǎn)生了溫度差并引起熱對(duì)流。在冷卻的過(guò)程中，這個(gè)熱對(duì)流一直存在，溫差越大對(duì)流就越激烈，水冷卻就越快。

過(guò)冷現(xiàn)象說(shuō)

在2013年年初，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)特意舉辦了一場(chǎng)比賽，評(píng)選姆潘巴現(xiàn)象的最佳原理解釋。而比賽獲勝者提出的解釋就是過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷現(xiàn)象指液體或氣體的溫度到其凝固點(diǎn)以下，但沒(méi)有凝固的現(xiàn)象，而原本溫度較低的水比原本溫度較高的水更易發(fā)生過(guò)冷，那么它的確可能比熱水結(jié)冰更慢。

目前，盡管對(duì)于姆潘巴現(xiàn)象并沒(méi)有一個(gè)令所有人都信服的完美解釋，但是科學(xué)家仍然在不斷提出各種理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

并非所有時(shí)候熱水結(jié)冰都比冷水快

正如開(kāi)頭所申明的，熱水結(jié)冰比冷水快只是“有時(shí)候”，也就是說(shuō)這并不是一個(gè)必然現(xiàn)象?！段锢硗▓?bào)》雜志社所屬的《中學(xué)生物理》雜志曾對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)歷時(shí)1年的討論，其中有12篇“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，偶有成功之例。這說(shuō)明姆潘巴現(xiàn)象確實(shí)存在，但控制條件難尋，復(fù)現(xiàn)不易。這也就意味著，姆潘巴現(xiàn)象只是在特定條件下出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，而不能一般性地得出“熱水比冷水先結(jié)冰”的物理結(jié)論。

針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所李治林博士指出，因?yàn)樗胁煌碾s質(zhì)離子可能帶來(lái)實(shí)驗(yàn)上的干擾，甚至有一種說(shuō)法認(rèn)為，通常環(huán)境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它們?cè)跓崴蟹敝车酶?，這些大小在微米量級(jí)的微生物恰好可以充當(dāng)水結(jié)冰所需要的凝結(jié)核，成為其優(yōu)先結(jié)冰的優(yōu)勢(shì)條件。而一些研究者用更加純凈的水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常不能重復(fù)這樣的結(jié)果。此外，水本身因氫鍵的存在，性質(zhì)復(fù)雜多變；而水降溫結(jié)冰更是多因素且動(dòng)態(tài)的過(guò)程。因此，李治林表示，姆潘巴效應(yīng)并不普遍成立，應(yīng)當(dāng)以更加審慎的態(tài)度對(duì)待和研究這一現(xiàn)象。

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研究姆潘巴現(xiàn)象有啥意義

那么對(duì)姆潘巴現(xiàn)象的研究有意義嗎？李治林博士認(rèn)為，有意義，而且很重要。水是一種性質(zhì)獨(dú)特的物質(zhì)，有著非常豐富的物理現(xiàn)象，且在工業(yè)生產(chǎn)和生命科學(xué)中扮演極其重要的角色，然而人類目前對(duì)水的研究還很不透徹。

“30攝氏度的水”與“從100攝氏度冷卻到30攝氏度的水”一樣嗎？這個(gè)問(wèn)題看上去毫無(wú)意義，似乎理所當(dāng)然，但事實(shí)可能并非如此。實(shí)際上，許多物理量和物理現(xiàn)象不僅取決于物質(zhì)所處的狀態(tài)，而且與其歷經(jīng)過(guò)程密切相關(guān)，最終結(jié)果是否一樣還是需要實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確認(rèn)。例如，由于冶金技術(shù)在工業(yè)上的價(jià)值，人類對(duì)鋼鐵的研究非常詳細(xì)。眾所周知，不同初始溫度、不同降溫速率處理過(guò)的鋼鐵，性質(zhì)有很大不同，其中晶粒的特點(diǎn)和形成過(guò)程也有所不同。類似地實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同過(guò)程和條件下產(chǎn)生的冰，晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也有很大不同。

盡管我們很早就知道“常壓下水在0攝氏度結(jié)冰”，但這個(gè)溫度其實(shí)只是一個(gè)范圍，冰也有各種不同的冰。

然而，對(duì)于水，很遺憾，由于微觀上太復(fù)雜，我們對(duì)其更細(xì)節(jié)的性質(zhì)還知之甚少。但有一點(diǎn)是肯定的，科學(xué)不能“想當(dāng)然”，實(shí)驗(yàn)才是檢驗(yàn)真理的最終標(biāo)準(zhǔn)。正是科學(xué)家們看似無(wú)聊的“較真”、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)疑、嚴(yán)格的檢驗(yàn)、不斷的追求，才促進(jìn)科學(xué)不斷地接近真理。