熱水比冷水更快凍結

●李論科學 文 小琪 編

在科學發展中，我們已經無數次地感受到了大自然的神奇，天下之大無奇不有！人類的有些認知是通過對事物簡單的現象總結得出的科學理論。

而有些科學理論可不是這樣的，因為很多真理都隱藏在表象之后，且與我們的直覺相違背。比方說，如果我問你，一杯70℃的水和一杯30℃的水，把它們同時放到冰箱，哪個能更快地凍結？根據我們以往的常識，這可能就是一句廢話，肯定是30℃的水更快結冰。

原因很簡單，把溫度的下降過程比作路徑，70℃距離冰點肯定路程更長，因此結冰更慢。可是大自然并非那么單純，很多神奇的現象背后總是隱藏著讓人瞠目結舌的真理。

這是公元前就存在的疑惑

關于這個看似不是問題的問題，其實人類很早就研究過，而且發現了一些不尋常的事。最早關于冷熱水哪個冷卻更快的記載可以追溯到古希臘的亞里士多德。

他在公元前4世紀的時候就發現熱水比冷水結冰更快，在這之后的哲學家、物理學家，如弗朗西斯·培根和勒內·笛卡爾，也發現了這種反常的現象。

但以當時人們的學識無法解釋這種現象，更無法做出具有說服力的實驗，所以對這一問題只有一些傳言和記載，并沒有得到當時科學界的重視。

而這一問題重新回到人們的視野、被科學家討論已經是1963年，而且起因是一個13歲的中學生上課時無意中的發現。

這名學生名叫埃拉斯托·姆潘巴，來自坦桑尼亞。在一節課上老師讓學生們自己動手制作冰淇淋，由于姆潘巴擔心冰箱的位置被其他學生占滿，沒等熱牛奶冷卻就放進了冰箱。當他過了一段時間再次檢查自己的冰淇淋時，卻意外地發現自己的冰淇淋竟然比其他同學的冷卻得更快，率先凍結。

當時老師無法給出這一現象的解釋，因此，在物理學家丹尼斯·奧斯本訪問該校并讓學生提問的時候姆潘巴就借機問了教授。

丹尼斯·奧斯本給出的答復是，我們發現過這種現象，具體情況不清楚，等我返回實驗室會親自做這個實驗。同年他們兩人就此現象共同發表了一篇論文。這個反常的現象再次被人們熟知，也引起了科學家的興趣。

但是問題是有些科學家能夠通過同樣的實驗得出相同的結果，有些卻不能，因此這個現象就成為了一個被討論至今的懸案。

到底存不存在這種現象也一直沒有定論，因為科學界認為這一現象的很多細節無法把控，例如水中的雜質會影響水結冰的速度，而且還會影響水的冰點。最重要的是結冰這個最終結果如何去界定，到底是誰先達到0℃，還是誰先開始凍結，還是誰先完全凍結？

這些不確定因素導致很多人得出來的結論不一致，實驗結果帶有很強的主觀性。所以科學家一致認為姆潘巴效應在實驗上無法得到很好的證實。

熱水凍結快于冷水

新發現解決這一問題

不過，2020年8月5日，一篇發表在《自然》雜志上的論文《在膠體系統中更快的指數冷卻》解決了這個問題。

實驗研究人員最開始是想知道和水分子大小相近的玻璃珠（1.5微米）在水中是如何運動的，他們將不同溫度的玻璃珠放在水中，用激光照射玻璃珠，觀察玻璃珠在水中的運動情況，測量其溫度。

實驗結果發現，溫度更高的玻璃珠在水中冷卻速度更快，并且是指數級的下降速度。在1000次實驗中，科學家觀察了不同溫度的玻璃珠，以及不同的水，實驗結果都是一致的。

通常情況下熱一點的珠子大約2毫秒就可以降至環境溫度，但是溫度稍低的珠子要想達到環境溫度必須花費10倍的時間。

科學家認為這很好地證實了姆潘巴效應，而且不僅僅是水和玻璃珠，在其他的材料上也會看到這種現象，由此推出，在大自然中這種現象也應該十分普遍。

實驗也說明了從高溫到低溫的冷卻過程可能存在不同的路徑，而高溫物體往往會走捷徑，能夠快速地達到環境溫度。

這次實驗能夠證實姆潘巴效應的原因在于，通過對玻璃珠溫度的直接測定，排除了如何判定水凍結這個充滿不確定性的因素，因此很好地證明了這個現象的存在。