热水比冷水结冰更快？这个曾入选十大科学骗局的现象正在被证实

一杯热水，一杯冷水，把它们都放进冰箱，哪一个先结冰？常识告诉我们，冷水会先结冰。

但包括亚里士多德、勒内·笛卡尔和弗朗西斯·培根在内的很多杰出人士都观察到，实际上热水可能更快结冰。经验丰富的水管工也告诉我们，在零度以下的天气里，热水管容易因冰冻爆裂，而冷水管却完好无损。

半个多世纪以来，物理学家一直在争论这样的事情是否真的发生了。

热水比冷水结冰快的现代术语是姆潘巴现象（Mpemba Effect），以坦桑尼亚少年埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）命名，他和物理学家丹尼斯·奥斯本（Denis Osborne）在20世纪60年代首次对其进行了系统的科学研究。

虽然他们能够观察到这种现象，但后续的实验未能持续地复制这一结果。研究冻结的精确实验可能会受到许多微妙细节的影响，研究人员常常难以确定他们是否已经考虑到了所有的混淆变量。

一直以来，关于水是否会发生姆潘巴现象的争论还在继续。这种现象在其他物质中也被发现了，包括结晶聚合物、被称为笼状水合物的冰状固体，以及在磁场中冷却的锰矿物。

这些新的方向正在帮助研究人员窥视脱离热力学平衡的系统的复杂动力学。一组模拟失衡系统的物理学家预测，姆潘巴现象应该出现在各种各样的材料中（以及它的逆现象，即冷物质比热物质升温更快）。

最近的实验似乎证实了这些观点。然而，最常见的物质水，却被证明是最不可靠的。

加拿大西蒙菲莎大学的物理学家约翰·贝切霍费尔（John Bechhoefer）说：“把一杯水塞进冰箱里似乎很简单。但一旦你开始思考，实际上就没那么简单了。”

1969年发表在《物理教育》杂志上的一篇论文中，姆潘巴描述了坦桑尼亚一个中学里发生的一件事，当时他和他的同学正在制作冰淇淋。

学生们的冰箱空间有限，姆潘巴急着去拿最后一个可用的冰盘。他没有像其他学生那样等着煮牛奶加糖的混合物冷却到室温，就将其放入了冰箱。

一个半小时后，他的混合物冻成了冰淇淋，而他那些更有耐心的同学的混合物仍然是粘稠的液体浆液。当姆潘巴问他的物理老师为什么会发生这种情况时，老师对他说：“你搞错了，这不会发生。”

后来，奥斯本参观了姆潘巴的高中物理课。他回忆说，那个少年举手提问：“如果你拿两个装了等量水的烧杯，一个装了35°C的水，另一个装了100°C的水，把它们放进冰箱，100°C的那个先结冰。为什么?”

出于好奇，奥斯本邀请姆潘巴到达累斯萨拉姆的大学学院，在那里他们和一名技术人员一起工作，提出了以姆潘巴名字命名的现象证据。尽管如此，奥斯本得出结论说，这些测试还很粗糙，需要进行更复杂的实验来弄清可能发生的情况。

在过去的几十年里，科学家们提供了各种各样的理论解释来解释姆潘巴现象。

水是一种奇怪的物质，当它是固体时密度比液体小，而且固相和液相可以在相同的温度下共存。

一些人认为，加热水可能会破坏样本中水分子之间松散的弱极性氢键网络，增加其无序性，从而降低冷却样本所需的能量。

一个更普通的解释是，热水比冷水蒸发得更快，从而减少了它的体积，从而缩短了它结冰的时间。冷水还可能含有更多的溶解气体，从而降低其冰点。

也可能是外部因素在起作用，比如冰箱里的一层霜可以起到阻隔的作用，防止热量从冷杯子里漏出来，而热杯子会融化霜，所以冷却得更快。

这些解释都假设热水比冷水更快结冰的现象是真实存在的，但并非所有人都对此深信不疑。

2016年，伦敦帝国理工学院的物理学家亨利·伯里奇（Henry Burridge）和剑桥大学的数学家保罗·林登（Paul Linden）做了一个实验，展示了这种现象对测量细节的敏感性。

他们推测，热水可能首先形成一些冰晶，但需要更长的时间才能完全冻结。这两种现象都很难测量，所以伯里奇和林登转而记录了水达到零摄氏度所需的时间。他们发现温度计的读数取决于他们把温度计放在哪里。

如果他们在相同的高度比较热杯和冷杯的温度，姆潘巴现象没有出现。但是，如果测量误差哪怕只有一厘米，他们就可能产生关于姆潘巴现象的错误证据。

通过查阅文献，伯里奇和林登发现，只有姆潘巴和奥斯本在他们的经典研究中发现了一个非常明显的姆潘巴现象，以至于无法将其归因于这种测量误差。伯里奇说，这些发现“突显出即使不包括冷冻过程，这些实验也是多么敏感”。

然而，许多研究人员认为，至少在某些条件下，姆潘巴现象是可能发生的。毕竟，亚里士多德在公元前4世纪写道，“许多人想要快速冷却水，就会先把水放在阳光下”，这种方法的好处在灵敏的温度计发明之前就已经显而易见了。学龄的姆潘巴同样能够观察到他的冷冻冰淇淋和他同学的浆液之间的细微差别。

尽管如此，伯里奇和林登的发现强调了为什么姆潘巴现象如此难以确定的一个关键原因：一杯快速冷却的水的温度是变化的，因为水是不平衡的，而物理学家对失衡系统知之甚少。

在平衡状态下，瓶中的液体可以用一个有三个参数的方程来描述：温度、体积和分子数量。把瓶子塞进冰箱，一切就都不一样了。在外层边缘的粒子将被陷入冰冷的环境中，而那些在深处的粒子将保持温暖。像温度和压力这样的标签不再固定，而是不断波动。

当北卡罗莱纳大学的卢至悦在中学时读到姆潘巴现象时，他溜进了他母亲工作的中国山东省的一家炼油厂，用精密的实验室设备测量了水样本中的温度随时间的变化(他最终使水过冷而不结冰)。

后来，在研究生阶段研究非平衡热力学时，他试图重新构建他研究姆潘巴现象的方法。

卢至悦遇到了现在在以色列魏茨曼科学研究所研究非平衡统计力学的奥伦·拉兹（Oren Raz），他们开始开发一个框架来研究姆潘巴现象，而不仅仅是对于水。他们2017年发表的论文模拟了粒子的随机动力学，表明原则上存在的非平衡条件下，可能会发生姆潘巴现象及其逆现象。

抽象的研究结果表明，较热系统的组件由于拥有更多能量，能够探索更多可能的配置，从而发现充当一种旁路的状态，当两个系统都向更冷的最终状态下降时，允许热系统超越冷系统。

拉兹说：“我们都天真地认为温度应该是单调变化的。从高温开始，然后是中等温度，再到低温。但对于失衡的物质，说系统有温度是正确的，既然是这样就可能有奇怪的捷径。”

这项发人深省的工作引起了其他人的兴趣，包括一个西班牙小组，他们开始模拟颗粒流体（可以像沙子或种子等液体一样流动的刚性颗粒的集合），并表明这些东西也可以产生类似姆潘巴现象。

弗吉尼亚大学的统计物理学家Marija Vucelja开始想知道这种现象有多普遍。在2019年的一项研究中，她、拉兹和两名合著者发现，姆潘巴现象可能出现在很大一部分无序材料中，比如玻璃。

为了调查这些理论预感是否有任何现实世界的基础，拉兹和卢至悦找到了加拿大西蒙菲莎大学的物理学家约翰·贝切霍费尔（John Bechhoefer）。

贝切霍费尔的实验表明，距离目标较远的系统可以比距离目标较近的系统更快到达目标。这似乎提供了一些关于姆潘巴现象如何在亚稳态系统中产生的见解，但是不是唯一的机制，或者任何特定物质如何经历这种不平衡加热或冷却，目前尚不清楚。

确定这种现象是否发生在水中仍然是一个悬而未决的问题。今年4月，拉兹和他的研究生Roi Holtzman发表了一篇论文，表明姆潘巴现象可以通过一种相关的机制发生，拉兹之前和卢至悦在经历二级相变的系统中描述过这种机制，这意味着它们的固体和液体形态不能在相同的温度下共存。水不是这样的系统，它有一阶相变，但贝切霍费尔把这项工作描述为逐渐偷偷摸摸地寻找水的答案。

关于姆潘巴现象的理论和实验工作已经开始给物理学家们提供了一个进入失衡系统的机会。确定哪些系统可能会以奇怪的和违反直觉的方式运行，会让我们更好地了解系统是如何放松到平衡的。

姆潘巴少年时期的疑问引发了长达数十年的争议，之后他自己继续学习野生动物管理，后来成为坦桑尼亚自然资源和旅游部的官员。据丹尼斯·奥斯本的遗孀透露，姆潘巴已于2020年左右去世，但以他名字命名的姆潘巴现象仍然继续被大量科学家研究。更有价值的是，姆潘巴现象指出了权威物理学的危险，也将激发更多年轻人的好奇心和探索精神。