姆彭巴效应：热水会比冷水更快结冰

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这个谜题或许可以追溯到亚里士多德的时代：在合适的环境下，热水竟然比冷水更快地结冰。现在，一群来自西班牙物理学家首次从理论上解答了这种看似矛盾现象——姆彭巴(Mpemba)效应——是怎么发生的。

正如马德里查尔斯三世大学(Charles III University Madrid)的Antonio Lasanta发表在《物理评论通讯》(Physical Review Letters)上的一篇论文所描述的，答案取决于个体水分子的速度，因为它们像蚁穴中的蚂蚁一样在四面八方漫无目的地奔跑。

在几个世纪以来，许多科学家和自然哲学家都已经注意到了姆彭巴效应，其中包括勒内·笛卡尔和弗朗西斯·培根，但是直到20世纪60年代才真正对其用现代的手段进行了研究。当时一个名叫Erasto Mpemba的坦桑尼亚少年发现一种冰淇淋的混合物比一杯冷水更容易结冰时，事情就发生了变化。 Mpemba向一位正在他的高中演讲的物理学家做咨询，然后他们一同在高中的实验室里证实了这个效应的存在性。

从那以后，人们对姆彭巴效应提出了可能的各种解释：温水蒸发时更高效地带走热量，或者在流体内发生异常流动，甚至过度冷却，在水转化成冰之前，水温远低于零度。

没有一个解释是能令大多数人信服的。事实上，最近的一项研究“有些伤感地”推断，其实并没有证明姆彭巴效应存在的真实证据。

为了探究这个问题，西班牙研究人员首先进行了更清晰的定义。想象两个放在冰箱里的烧杯，一杯是热水，另一个是冷的。如果按照Mpemba效应，则较热的一个将比较冷的一个更早达到零度。

在每个烧杯里面，组成水的分子始终做着不规则运动。如果水温升高，它们会移动得更快。如果它们冷却下来，就会步履蹒跚;如果冻结成冰，水分子就会卡在一个位置，无力地颤抖。

Lasanta的团队分析了这种情况的简化版本，其中液体中的微粒是微小的球体，彼此之间每次碰撞时都会失去一点能量。

传统观点认为，每个烧杯结冰的时间只取决于其初始温度。热水中的分子移动得更快，这意味着减慢它们的速度需要更多的时间 ——因此液体越热，冷却的时间越长。

想必读者也能猜到，事情不会完全如同传统的理论的预言——研究人员发现，温度不是唯一的决定性因素。

如果分子像蚂蚁一样围绕巢穴运动，则液体的温度对应于它们的平均速度。所以如果所有的蚂蚁都以每小时50米的速度行走，则对温度而言，实际效果相当于一半的蚂蚁以50米/每小时的速度前进，剩下的四分之一的一小时行走75米，其余的则是是25米。

然而，偏离常值的蚂蚁数量——磨磨蹭蹭的落后者和活力四射的超前者——在液体冷却速度方面起着关键作用。这种偏离平均值的程度(统计学家称之为“峰度”)的性质在早期的研究中被忽略，这可能是造成姆彭巴效应可重复性差的原因。

在方程中插入峰度等于重新定下了游戏规则。 Lasanta说：“我们现在可以进行定量的分析计算，以了解Mpemba效应如何以及何时发生。”

当条件恰到好处时——如果热烧杯的温度比冷烧杯的温度要高，而且分子的速度足以产生很高的峰度，那么数值模拟显示，较热的样品会比冷的样品冷却得更快。

“实际上，我们发现，热水可以更快地冷却，同时也有相反的效果：冷水也可以更快达到地沸点，这将被称为逆姆彭巴效应。”Lasanta说。

下一步？尝试用实验证明数值计算的模拟结果——首先在实验室环境里，然后在开放的现实世界中。如果全部成功，这一发现可能会应用在改进制冷和冷藏技术方面。

本文译自 cosmosmagazine，由 majer 编辑发布。