热水和冷水哪个结冰快？科学家也说不清楚

　　科技新闻如果有人问你冷水和热水哪个先结冰？我相信你会觉得提问者是不是很蠢。当然，冷水先结冰了。然而，事实上，有时候并不一定如此。在某些情况下，热水可能比冷水结冰快。这是怎么回事？
　　事实上，历史上很多学者，如亚里士多德、培根、笛卡尔等都曾描述过类似的现象，但未能给出完美的解释。即使是现代科学家，对这样一个简单的问题，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，他惊奇地发现，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。
　　这完全违背了我们对热现象的直观理解和我们的经验直觉。但是为什么相反呢？带着这个疑问，Mpamba咨询了从初中到高中的多位物理老师，都没有答案。有一位老师甚至讽刺说，好像有两种物理，一种是放之四海而皆准的物理，一种是‘姆潘多拉物理’。
　　固执的姆潘巴一直在寻找答案，直到他抓住了达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯本博士来他们学校参观的机会，提出了自己的疑问。医生并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻，而是按照姆潘巴的说法回到实验室进行冷热奶实验和冷热水实验。结果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研究这一现象，并于1969年就这一现象合写了一篇论文，引起了学术界的广泛关注。于是人们把这种在相同体积、相同冷却环境下，温度稍高的液体比温度稍低的液体（非纯水）先结冰的现象命名为姆潘巴现象。
　　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。1。融霜理论
　　据了解，为了研究姆潘巴的现象，许多学者进行了实验观察。液体表面的霜会影响热量向周围环境传导的速度。霜的导热性能比水差，热水使霜融化，减少了它的阻碍，优化了传热。但有充分的证据证明，在实验过程中完全消除霜的干扰或抑制霜的融化时，姆潘巴现象仍然存在。所以，这个说法不成立。蒸汽蒸发理论
　　有学者认为，姆潘巴现象的第一个原因是由于热水的温度较高，热水的蒸发速度较快。因为蒸发减少了水分子的数量，所以要冻结的水分子数量也相应减少，从而加快了热水的冻结速度。然而，一些科学家测量了冷冻前后水的质量，发现质量差异从未超过3。虽然蒸发的水量减少了，但3的水分子不能显著影响水结冰所需的时间。同时，水蒸气蒸发过程中消耗的热量也不容忽视。遗憾的是，耗热量的控制测试并不容易实现，因为它需要测量开口容器和封闭容器。而在封闭的环境中，水蒸气蒸发和热传导都会受到阻碍，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。过冷现象理论
　　2013年初，英国皇家化学学会专门举办了一场比赛，评选出姆潘巴现象的最佳原理解释。比赛获胜者提出的解释是过冷。过冷现象是指液体或气体的温度低于其冰点，但没有凝固的现象。温度较低的水比温度较高的水更容易过冷，因此它可能确实比热水冻结得更慢。
　　目前，虽然对于姆潘巴的现象还没有完美的解释，但是科学家们仍然在提出各种理论来解释这一现象。
　　并非总是如此
　　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。
　　为解决这一问题，9月4日，科技日报记者采访了中国科学院物理研究所李志林博士。他指出，由于水中不同的杂质离子可能会对实验造成干扰，甚至有一种说法认为，一般情况下，普通水中不可避免地存在一些微生物，它们在热水中繁殖更快。这些微米级的微生物正好可以充当水冻结所需的凝结核，成为其优先冻结的有利条件。然而，一些研究人员在用更纯净的水进行实验时，往往无法重复这一结果。另外，由于氢键的存在，水本身的性质复杂多变；水的冷却和冻结是一个多因素的动态过程。因此，李志林表示，姆潘巴效应并不是普遍成立的，应该以更加谨慎的态度对待和研究这一现象。
　　研究姆潘巴现象有什么意义？
　　那么研究姆潘巴的现象有意义吗？李志林认为这是有意义和重要的。水是一种具有丰富物理现象的独特物质，在工业生产和生命科学中发挥着极其重要的作用。然而，对水的研究仍然不彻底。
　　30摄氏度的水和水从100摄氏度冷却到30摄氏度一样吗？这个问题看似毫无意义，想当然，其实未必。事实上，许多物理量和现象不仅取决于物质的状态，还与其过程密切相关。最终结果是否相同，还需要实验研究来确认。比如，由于冶金技术在工业上的价值，对钢的研究非常细致。众所周知，不同初始温度和不同冷却速度处理的钢的性能差异很大，其中晶粒的特征和形成过程也不同。同样，实验研究发现，不同过程和条件下产生的冰的晶体结构和物理性质也有很大的不同。
　　虽然我们很早就知道常压下的水在0摄氏度结冰，但这个温度其实只是一个范围，冰有不同的种类。
　　然而，对于水，不幸的是，由于其微观复杂性，我们对其更详细的性质仍然知之甚少。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。正是科学家们看似枯燥的真实，严谨的质疑，严谨的审视，不断地追求，推动着科学不断向真理靠近。