姆潘巴现象原理:热水比冷水更容易结冰

奇特的物理现象——姆潘巴现象

姆潘巴现象（Mupainmubareffect），又名姆佩姆巴效应，指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

　　亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象，但是均未能引起广泛的注意。1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住达累斯萨拉姆大学物理系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。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士（DenisG.Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。

　　“姆潘巴现象”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗？。四十多年来，许多论文与实验试图证实这个现象背后的原理，但由于缺乏科学实验数据以及定量分析，至今没有定论。

　　难以解释的现象

　　最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现，当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻，热水水体的上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的热水内产生的高低温度差接近14℃，而初温为47℃的热水内产生的高低温度差只有10℃。这说明在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢？这只能有一种解释比较合理，那就是水体上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快，冻结也就愈快。这便是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。

　　但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验，结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实，只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，“姆潘巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象，其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。

　　姆潘巴现象是一个多变量问题。

　　物理原因：

　　从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了：

　　盛有初温4℃冷水的杯，结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热传导不良的材料，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面。所以水在表面处最先结冰，其次是向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时，内层的水与外界的空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。

　　盛有初温100℃热水的杯，冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的对流，使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后可以观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。

　　生物原因：

　　同雨滴的形成需要“凝结核”一样，水要结成冰，需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现，水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同作用：围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延生长出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部冻结为止。

　　以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜，对其做出全面定量而令人满意的结论，还有待于进一步的探索。

　　硬物作怪

　　最近，美国华盛顿大学的乔纳森?卡茨通过对姆潘巴现象的深入研究，捉到了隐藏其中的鬼怪。他证实，这种现象不但真实存在，而且造成这种现象发生的鬼怪也是真实存在的。不过，这其中的鬼怪只是隐藏在水里面的一些寻常硬物。

　　在破解姆潘巴现象的过程中，卡茨把目光盯在了水上。我们知道，水在加热过程中，一些隐藏在水里的易溶硬物——碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会被驱逐出去，形成沉淀物。我们日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢，就是它们被驱出去的证据。而水在达到沸点以后，就会因硬物被绝大部分清除而软化。卡茨发现，同样是冷冻结冰，未经加热的硬水在结冰过程中，由于其内部硬物作祟，使得硬水的冰点要比被加热后的软水冰点低一些，这就减缓了硬水结冰的速度。这一原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样，盐的混入，会使雪的冰点降低，这样，雪结冰的过程就拉长了。

　　但仅凭这个发现还不能直接破解姆潘巴现象，因为姆潘巴的同学们在做冰棋淋的过程中，都先把生牛奶煮熟了。那为什么姆潘巴的热牛奶会先冻结呢?卡茨发现，原因还是出在水里的硬物上:为了吃到可口的冰漠淋，他们都在牛奶里加了糖，而糖实际上会使牛奶液体变硬。但同样是煮熟、加糖的牛奶，热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低一点，这个硬度的差异造成了它们冰点的差异，硬度较高的冷牛奶冰点相对要低些。这样，冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要先结冰了。

　　当然，还有另外一个原因能够降低低温水的结冰速度，因为实验证明，热量从水中流失的速度取决于温差，就是说在同样的低温环境里，温度相对较高的水比温度相对较低的水散热速度要快一些。换成牛奶，道理也是一样。

　　那么为什么在众多实验中，姆潘巴现象不会每次都出现?卡茨认为，原因就在于试验者一开始用的就是软水。用同样的软水来做冷热实验，由于水的冰点都一样，而且散热速度的快慢对结冰速度的影响很微弱，所以姆潘巴现象就不那么显而易见了。

　　有科学家指出，卡茨的发现很可能不是姆潘巴现象的终极答案，但和目前现有的各种答案相比，这个答案还是最有说服力的。

　　摆脱常识束缚

　　现在看来，姆潘巴现象作为一个结冰特例并没有颠覆我们以往的有关常识，但它毕竟对我们的常识进行了一次激烈挑战，丰富了我们对水的认识。如果我们被常识束缚，硬把这个怪异现象当做荒唐现象来看待，那么我们就不会对水在特殊条件下的结冰特点有新发现。相反，如果我们在尊重常识的同时，还善于摆脱常识的柬缚，我们才会有新发现。

　　还是以水为例，美国研究人员发现，用水分子可以做成水膜，这种水膜像蜡那样能起到防水作用。他们在铀的表面铺上一层水膜，结果发现新泼上去的水就像雨点在打蜡的汽车上的表现一样，很快被水膜赶走了。

　　还有，作为常识，人们都知道，水的冰点是0℃。但韩国一个科研小组发现，水在20℃时也可以凝结成冰。这些研究人员在使用扫描隧道显微镜观察电子如何穿过一层水膜，到达水膜下的电极的过程中，获得了这个意外发现。在观察过程中，他们通过检测仪器显示的异常数据得知，扫描隧道显微镜的带电金属尖端在水膜中上下震动时遭到阻碍。之所以会这样，原因是下降中的金属尖端下方的水分子瞬间凝固，形成了对尖端的阻碍。后来经过反复实验证实，随着扫描隧道显微镜的带电金属尖端不断下降，它与水膜下面电极的距离也就越近，而两者越近，两者之间形成的电场就越强。当达到大概2个水分子距离的时候，在强电场作用下，水转化为固体形态。

　　如果研究人员固守只有降温才能把水变成固体的常识，他们就很难获得这个重大发现。

　　此外，以往我们认为水分子形象是互相手拉手像金字塔那样的四面体，而科学家最近对水分子的研究表明，它们的形象并非是单一的四面体，而是多种多样的。研究还发现，水还能冻结成13种典型的结晶体。

　　仅仅是司空见惯的水，就有如此多怪异的特性，自然界中一定有无数的怪异现象，挑战着我们的常识。

　　其他解释：

　　姆潘巴现象产生的原因：

　　1.冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

　　2.如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

　　3.姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。

　　4.摆放的位置靠近冰箱导热管。

　　目前本现象已由3名向明中学中国女学生证明只是上述4种因素的巧合。在正常情况下仍是冷水先结冰。3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。近日向明中学将邀请有关专家对这一实验课题进行评审鉴定。

　　另：有人认为，亚里士多德的原文中对这一现象的描述是这样的：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰”，多数人很可能误解了此句话的本意，即“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下的比较”而非“热水与冷水的比较”。因此依据第二种理解即上文所论述的，姆潘巴现象是不成立的；而在第一种理解下，姆潘巴现象是有可能成立的。
 

“姆潘巴现象”：热水比冷水结冰更快！