在坦桑尼亚一所中学读书的姆潘巴(Mpemba)在家里偶然发现,将滚沸的牛奶与常温的牛奶一起放入了冰箱冷冻,热牛奶结冰速度快过冷牛奶。再用沸水与温水对比试验,出现了同样不可思议的结果。
之后他问了所有教过他的物理老师。老师都回答说:不可能!
直到几年以后,一名英国物理学家来学校访问。物理老师说,大家有什么问题要问尊贵的物理学家?姆潘巴不顾同学们起哄,一脸倔强的问:“如果将两个盛着相同体积的水的容器,一个水温35摄氏度,另一个100摄氏度,将两个容器放入冰箱,100摄氏度的水先结冰”,“为什么”?
同学哄堂大笑,老师一脸尴尬,奥斯伯恩教授无言以对。但他没有否定姆潘巴,只是问,你自己动手实验了吗?姆潘巴说,反反复复很多次。
奥斯伯恩教授回到实验室,立刻动手实验,反反复复很多次,结果都一样:有时候热水结冰速度快于冷水。奥斯伯恩教授与姆潘巴联合发表了一份报告,论述这一现象。“姆潘巴现象”(Mpemba effect)诞生了。
迄今为止,没有令人信服的解释。总结起来,目前认为有4个主要因素和一些有争议的小因素。
- 挥发减少了质量。热水放进冰箱里很多变为水蒸气跑掉了,这样剩下的质量就少了。
- 杂质降低了冰点。热水把气体,包括二氧化碳和氯气这些使得水成酸性的气体赶跑了,剩下一些本来容易在酸性环境中溶解的杂质从热水里析出。杂质少的热水在接近0度结冰,而杂质多一些的冷水在低于0度结冰,这就导致了热水容易结冰。有杂质的水冰点低有什么实际应用?我们这里下雪时地上撒盐就是为了降低冰点,让雪化掉。还有一种观点,认为热水里的杂质并没有析出,而是被凝聚活化了,成为结冰的晶核,使得结冰更容易。
- 对流。杯子里的水不是静止不动的,而是内部对流使得水和周围冷空气进行热交换。从热水开始冷却时这个对流速度维持在较高水平,所以热水更容易和环境交换热量。
- 氢键作用。这个是2017最新提出的理论,根据测量强氢键水分子集团的数量发现,随着温度升高,由于分子之间推拉作用,水分子之间弱的氢键大规模断裂,而强的氢键集团开始形成。这样的强氢键连接的水分子集团更加像冰的结构,也帮助热水更快变成冰。
从这个例子看到。
- 没有问题是愚蠢的。
- 科学不是告诉你什么是正确的,而是一种方法,去让你寻找更合理解释现象理论。“姆潘巴现象”最早两千多年前亚里士多德就有过描述,到今年还有新的解释发表。我们不会因为科学这么“无能”而看不起科学。
