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姆潘巴现象

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所谓姆潘巴现象（Mpemba effect）的多种表述：

  • 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先结冰的现象。
  • 亚里士多德：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”[1]可理解为“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较，加热过的水更快结冰”

亚里士多德[1]、弗兰西斯·培根[2]和笛卡尔[3]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（注意亚里士多德的描述与上述大不相同）。1963年，坦桑尼亚的一位中学生埃拉斯托·姆潘巴（英语：Erasto B. Mpemba）在制作冰淇淋时，发现热牛奶经常比冷牛奶先结冰。1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩（英语：Denis G. Osborne）博士就此现象共同撰写了一篇论文，因此该现象便以其名字命名[4]。[5]

也有人说亚里士多德描述的可能不是姆潘巴现象。书中的原话是：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”[1][6]指的是被加热过的（warmed）水，而非热水或温水（warm water）。

不管怎么说所谓“姆潘巴现象”并没有给出准确定义：并未给出热水是几度，冷水是几度，容器的形状，水的纯度。甚至连结冰的定义都不明确：出现了可见的冰块还是出现第一粒晶种？ 实际的实验的结果是：热水有的时候结冰比冷水快，大部分时间还是冷水快。因为实际结晶动力学的复杂性，和过冷过程的不确定性，冷水过冷没结冰热水没过冷直接结冰了的情况也是会发生的。

卢至悦与美国马里兰大学（University of Maryland）化学与生物化学博士后研究员奥伦‧拉兹（Oren Raz）2017 年共同发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS USA）的研究，预测姆潘巴现象的冷凝“捷径”有可能存在。[7]

为探究亚里士多德的理论和超过半世纪的姆潘巴现象争议，加拿大西门菲莎大学（Simon Fraser University）物理学博士候选人艾比纳许‧库玛（Avinash Kumar），和他的指导教授约翰‧贝契霍佛（John Bechhoefer），两人利用一个装满水的大烧杯打造“热熄”胶体系统（colloidal system）作为提供稳定温度热来源的“热库”（heat bath）。
库玛在实验中，利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子，并根据几率分布（probability distribution），从不同方向让玻璃珠落入烧杯中数千次，每当玻璃珠坠落，研究人员便会利用光镊（optical tweezers）进行虚拟势能（virtual potential）侧写，改变几率分布和该系统的温度。
随着变因不同，研究人员观察到热水在特定情况下比冷水较快凝结的情况，在其中一次观察中，热玻璃珠在 2 毫秒的时间凝结，比冷玻璃珠还快上 10 倍，库玛与贝契霍佛的研究结果 8 月 5 日发表于《自然》（Nature）期刊。[8]

目前任职于以色列魏茨曼科学研究学院（Weizmann Institute of Science）的拉兹表示，“很高兴看到姆潘巴现象真的行得通”，但他谨慎地说，“我们不知道这是否为水的特性。”[9]

试验论证

“一篇《二十世纪十大科学骗局》的文章，里面提到姆潘巴现象只是愚人节的产物。”[10]这被很多文章和论文引用。[11]

据科学网2010年报道，纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇撰文，认为这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关。[12]布朗里奇认为，杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素。过去10年时间里，他利用空闲时间进行了数百次有关姆潘巴现象的实验，最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据。布朗里奇说“水几乎从不在温度降到零度时冻结，通常是在更低温度下才开始冻结，也就是所说的过度冷却现象。冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质。通常情况下，水可能含有几种类型杂质，其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌，每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关。核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度。” 结晶动力学和杂质和晶种都有关系。用非常纯净的水（多次蒸馏并且过了非常细的半透膜去除杂质颗粒，或者直接使用MilliQ Water）并且容器干净没有大划痕的话水可以过冷并且不结冰。目前没有报道有人以严格的条件重复此实验。

热传导不能解释所谓“姆潘巴现象”。热水降温当然快，但需要降低的温度也更多。本身热水需要一段时间才能达到冷水的温度，才能到达冷水的“起跑线”。原命题对降温速度和周围温差都未有定义，甚至很难构成一个完整的科学结论。一般来说，结晶速度未必是越低越快。过冷提供热力学动力，同时需要一定温度来提供动力学的晶钟burst（从液态到若干纳米的晶种是有活化能的）。该问题已在各种物质的Time-temperature-transformation diagrams有详细研究。

2012年，一个叫英国皇家化学学会举办比赛[13]，尝试解释姆潘巴现象。颁奖典礼上问题发起者也提到了该实验的重复性问题。获奖选手Bregovic的解释是，有时候热水比冷水先结冰的原因是这些情况下冷水放冰箱更趋近于过冷，热水趋近于结冰。而且因为对流的原因热水其实冷的也挺快的。[14]

2013年新加坡南洋理工大学宣称，氢键（hydrogen bonds）在水温高时较长，以延展储蓄能量；遭遇低温时迅速缩短，释出能量冷却，造成姆潘巴现象[15]。但此文章是直接拿DFT计算出来的结果，并没有直接的实验证据。并且DFT是相当粗糙的计算方法。

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Aristotle, Meteorology （页面存档备份，存于互联网档案馆） I.12 348b31–349a4 （英文）"The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly…"
  2. ^ Francis Bacon, Novum Organum, Lib. II （页面存档备份，存于互联网档案馆）, （拉丁文）
  3. ^ Descartes, Les Meteores （页面存档备份，存于互联网档案馆）（法文）影像版
  4. ^ Physics Education, Volume 4, Issue 3, pp. 172-175 (1969) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/3/312 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  5. ^ 一碗冰淇淋惹出的大麻烦！热水结冰比冷水快？ https://pansci.asia/archives/190853 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  6. ^ The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly
  7. ^ Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20), 5083-5088. doi: 10.1073/pnas.1701264114
  8. ^ Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x
  9. ^ We don’t know whether this is the effect in water or not. https://www.sciencenews.org/article/physics-new-experiment-hot-water-freeze-faster-cold-mpemba-effect3[失效链接]
  10. ^ 20世纪的十大“科学骗局” （页面存档备份，存于互联网档案馆），作者：吴学安，Science Times,图片版 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  11. ^ 李强（编辑）一杯冷水和一杯热水放入冰柜中哪杯水先结冰?说明原因 （页面存档备份，存于互联网档案馆）中国学网
  12. ^ 科学家揭开有时热水冻结速度超过冷水之谜,科学网, 2010-03-29. [2015-01-25]. （原始内容存档于2012-09-22）. 
  13. ^ Mpemba Competition （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Royal Society of Chemistry. 2012.
  14. ^ Winner of the Mpemba Competition （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Royal Society of Chemistry. 2013.
  15. ^ Mystery of why hot water freezes faster than cold is solved - and it's all down to the strange behaviour of atom bonds. [2014-07-22]. （原始内容存档于2014-05-30）. 

外部链接

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