热水和冷水，哪个结冰更快？这个问题困扰了科学家半个多世纪
热水和冷水，哪个结冰更快？这个问题困扰了科学家半个多世纪
最近正值冬季，不知道北方的朋友们都出门玩雪了吗？在冬季的游玩项目中，有一个简单但又十分有趣的游戏非常受大家欢迎，那就是"泼水成冰"——当室外极度寒冷时，如果我们将一杯或一瓢滚烫的热水泼洒到空中，水就会迅速凝结成冰，并随着我们泼洒的动作，形成一圈美丽的冰花。
“泼水成冰”游戏。图片来源：Pixabay
不过，你有没有想过这个问题：为什么"泼水成冰"用的是热水而不是冷水呢？这个看似简单的问题，背后却蕴藏着一个十分违反直觉的现象，就是热水能比冷水更快地结冰。其实，它还涉及到了物理学上的一个经典谜题——姆潘巴现象，而这个谜题已经困扰了科学家半个多世纪。
什么是姆潘巴现象？
1963年的某天，在坦桑尼亚的一所中学里，一个名叫埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）的初中生和往常一样，利用学校的冰箱制作牛奶冰淇淋。但由于那天冰箱里只剩下一个制冰盘，着急的姆潘巴便没有像平时那样等牛奶变凉，而是将煮沸的牛奶和糖、奶油等混合，直接倒进了制冰盘里。一个半小时后，奇怪的事情发生了：姆潘巴的牛奶冰淇淋已经冻结成形，而其他同学的还只是一些浓稠的奶浆。
已经冻结的冰淇淋。图片来源：Unsplash
姆潘巴对此十分困惑，因为根据他学到的物理知识，他认为，水温越低的会越先结冰，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶先结冰才对。姆潘巴询问了他的物理老师，但物理老师想都没想就认为是姆潘巴搞错了，这种现象不可能发生。
到了高中后，姆潘巴又找到了几位高中物理老师，询问了他们同样的问题，但依然没有得到满意的解答。一些老师和同学都觉得姆潘巴的问题怪异且荒唐，他们甚至公开嘲讽姆潘巴：这是在姆潘巴宇宙中才会发生的现象！
执着的姆潘巴并没有放弃。一次，英国物理学家丹尼斯·奥斯本（Denis Osborne）到姆潘巴的学校访问，他便抓住这次机会，向奥斯本提出了自己的疑问。幸运的是，奥斯本并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，奥斯本按照姆潘巴的描述，重新进行了冷、热牛奶结冰的实验，结果确实观察到了姆潘巴所描述的奇怪现象。
1969年，姆潘巴和奥斯本共同撰写了关于此现象的一篇论文，发表在在《物理教育》杂志上。自此，这一颠覆常识的现象被命名为"姆潘巴现象"（Mpemba effect）。现在，对姆潘巴现象更具体的描述是，在同等体积、同等质量和同样冷却环境的条件下，温度略高的水会比温度略低的水先结冰。
姆潘巴和奥斯本于1969年共同撰写的论文中，水的初始温度（横轴）和冷却时间（纵轴）的关系图。图片来源：Mpemba, E.B., and D.G. Osborne. 1969. Cool？Physics Education 4：172–75
争议持续半个多世纪
自姆潘巴和奥斯本的论文发表以后，姆潘巴现象在全世界范围内引起了广泛讨论。有人认为，热水比冷水蒸发得更快，这减少了水的总体积，从而减少了结冰时间；有人认为，冷水能溶解更多的气体，因此冷水的冰点变低了，结冰也就需要更多时间；有人认为，加热之后的水，氢键能量变高了，这对于结冰是一个有利条件；还有人认为，在冷却结冰的过程中，热水的对流比冷水的剧烈，因此整体降温更快……
2012年，英国皇家化学学会甚至专门为此举办了一场科学"竞赛"，以寻找关于姆潘巴现象的最佳解释。虽然有超过2万人参加这场比赛，然而还是没有得出定论。
2016年，英国剑桥大学的科学家发表了一篇综述文章，对姆潘巴现象本身提出质疑。他们认为，1969年之后进行的大多数实验，都缺乏可重复性。并且，姆潘巴现象中描述的"结冰"或者"冻结"本身就是一个很模糊的概念。比如，热水可能会先形成一些冰晶，但完全冻结其实需要更长时间。经过研究，他们最后得出结论：热水并不会比冷水更快冷却。也就是说，姆潘巴效应根本不存在。
结冰的水面。图片来源：Pexels
但剑桥大学科学家的结论又很快遭到了其他科学家的驳斥，他们认为，在特定条件下，姆潘巴现象的确会发生。姆潘巴现象之所以不能被稳定观察到，是因为水在快速冷却降温的过程中，是一个不稳定的非平衡系统，而物理学家目前对非平衡系统知之甚少。
冷却过程中存在捷径？
2017年，美国北卡罗来纳大学的科学家在《美国科学院院刊》上发表了一篇文章。文章指出，在一些特定条件下，姆潘巴现象，甚至逆姆潘巴现象（比如冷水比热水更快升温），都可能会发生。
这项研究用粒子来进行动力学模拟，以揭示姆潘巴现象背后的原理。研究结果显示，在冷却过程中，较热系统中的粒子拥有更多能量，因此能"选择"更多温度变化的路径，其中就包括一条"捷径"：在冷却的过程中，较热系统通过"捷径"，更快地抵达了最终的平衡状态。
打个比方，初始状态不同的两个系统就像两只活跃程度不同的小猫，当它们玩累了开始休息后，较活跃的那只小猫能更快地恢复"平静"状态（平衡状态），因为它更"疲惫"。
2023年，日本京都大学的科学家在一篇研究量子版姆潘巴现象的文章中，用两只活跃程度不同的小猫来类比两个初始状态不同的量子系统。图片来源：KyotoU/Hisao Hayakawa
但上述研究结果依然需要进一步证实。总之，目前对姆潘巴现象的解释依然悬而未决，这个问题在科学界还将继续争议下去。不过，作为普通人，我们或许现在就可以亲身体验一番姆潘巴现象——到冰雪的户外，玩一把"泼水成冰"；或是利用家里的冰箱，开展一次小实验，看看热水是否真的比冷水更快结冰。
参考资料：
1.https://www.quantamagazine.org/does-hot-water-freeze-faster-than-cold-physicists-keep-asking-20220629/
2.https://news.uestc.edu.cn/?n=UestcNews.Front.DocumentV2.ArticlePage&Id=86066
3.https://www.kyoto-u.ac.jp/en/research-news/2023-08-31