​姆潘巴现象原理（姆潘巴现象颠覆物理学讲解）

姆潘巴现象原理（姆潘巴现象颠覆物理学讲解）

如果你需要更快地制取冰块，请先把水加热！这一看起来纯属反常识的笑话，真的是天方夜谭吗？

上世纪60年代，一名非洲坦桑尼亚的中学生姆潘巴发现，热的冰淇淋液比冷的混合液更快地结冰，他的好奇心激起了科学界长达数十年之久的激烈辩论，热度至今都丝毫不减！

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们先把生牛奶煮沸，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博尔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。奥斯博尔答应回去后会做这个实验。他认为这个男孩错了，但又觉得不应该嘲笑任何一个问题，而且可能真的有其他未知因素影响着冷却速率。让奥斯博尔内大吃一惊的是，实验结果的确如姆潘巴所言。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，他和姆潘巴共同署名发表了一篇论文，因此该现象便以姆潘巴的名字命名。

姆潘巴（左）与 奥斯博尔（右）2013年在伦敦

这一反直觉的现象称之为姆潘巴效应，是物理学中一个令人颇为头疼的怪异现象。"姆潘巴效应"指在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（非纯水）先结冰的现象。

姆潘巴现象是一种有违人们认知的特殊现象，历史上亚里士多德、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。

在过去的10多年里，科学家对姆潘巴效应的关注更加密切，希望找出这个与直觉不符的现象背后的确切原因。英国皇家化学会甚至还在2012年赞助了一场比赛，邀请来自世界各地的科学家对这个现象给出自己的解释，但迄今为止，提交的两万多篇相关论文并没有在科学界达成一个广泛的共识。

科学家给出的一个最常见的解释是对流热传递的作用：水在升温过程中形成对流，热水移动到表面并蒸发。这一作用的结果是，装在一个杯盖打开的杯子里的热水，会比装在类似容器里的冷水蒸发得更快，因而剩下的水凝固得也更快。这一理论把姆潘巴效应限制在了敞开的容器中，然而一些在封闭的容器中的实验也观察到了这种现象。

另一种解释是生物原因：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。

当前的主流观点认为水中的氢键对这一现象至关重要。2015年有人从结晶层面提出在温水中水六聚体态的较高占比是姆潘巴效应下更快结晶的原因。 2016年又有人根据振动光谱和密度泛函理论优化水团簇模拟的结果提出了另一种可能的解释：随着温度升高，总体氢键作用减弱其中弱静电氢键断裂而强氢键的数量增加；当温水快速冷却时，由这些少量的强氢键带来的小而强结合的团簇的存在促进了六边形冰的成核，因此出现了姆潘巴现象。

但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。

还有人认为，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，还善于摆脱常识的束缚，我们才会有新发现。

无论如何，姆潘巴现象引发了一场持续数十年之久的大讨论，并且至今没有一个得到公认的定论。关于姆潘巴现象的讨论和实验，的确促进了人们在相关领域的认知。

对此感兴趣的朋友，不妨在自己家里试试哦。