热水比冷水会更快地结冰

――介绍一位中学生的奇异发现

武际可

1963年，非洲坦桑尼亚的一位高中学生姆本巴（Erasto B. Mpemba）在学校里做冰激凌。他把加过糖的牛奶煮开后，本来打算放凉后再放入冰箱，不过，许多同学都在做冰激凌，冰箱的空间有限，他就赶忙把热牛奶放进冰箱。随后，奇怪的事情发生了，他的热牛奶比别人的冷牛奶结冰还要早。

姆本巴想知道个究竟，把这个现象问学校的物理老师。姆本巴的发现和通常人们的想象，是如此地不一致。以致他的老师也不相信。老师回答是他一定是弄错了。姆本巴开始相信了老师，但当他与他的一位做冰激凌的朋友诉说这一经历时，他的朋友说，做冰激凌时，有时热的液体比冷的液体会更快地结冰。姆本巴得到朋友经验的支持，又去问物理老师。物理老师仍然认为他把事情弄颠倒了。物理老师并且说：“你说的是姆本巴物理，而不是普通物理。”从此，姆本巴在同学中，有一个“姆本巴物理”的雅号。

不过姆本巴并不死心，他又重复他的实验认定他发现的实事。后来有一位大学物理教授奥斯包内（Denis G. Osborne）来访问他们学校，姆本巴就把这个问题向这位教授提出。这位大学教授说他还不能回答他的问题，要等到自己做过实验后才能回答。奥斯包内回去后，让他的助手重复姆本巴的实验，他的助手重复若干次实验，都肯定姆本巴的结果是对的。奥斯包内才对姆本巴做了肯定的回答。并且与姆本巴合作在1969年发表了一篇论文〔1〕

随后，他们的文章引来了许多文章，试图来解释这一实验事实的原因。在一定的相同的条件下，热水比冷水结冰快的现象，也被称为“姆本巴效应”（Mpemba Effect）。

人们一开始接触“姆本巴效应”所以会感觉到匪夷所思，是因为，人们对于一个容器中水的冷却过程，总是理解为一个单参数的过程。就是说只依赖于系统的均匀温度的简单过程。如果是这样，自然是温度越高结冰所需的时间越长。其实，一杯温水的冷却过程是非常复杂的。它在冷却过程中，非但温度不是均匀的，冷却的过程还和外部的空气对流、容器内部水的对流、表面的水蒸发所携带的潜热等因素有关。

进而，所谓“姆本巴效应”是有条件的。并不是在任何条件下，高温的水总是比低温的水结冰快。如果是那样的话，就应当说这种现象是“姆本巴定律”而不是“姆本巴效应”了。就是说，在一定条件下，高温水比低温水结冰快。那么，实现“姆本巴效应”的条件是什么呢？由于事情的复杂性，至今仍然是一个有待研究的问题。因为它不仅与温度差有关，还与容器的形状、容器的热传导性能、冰箱冷冻室的形状和温度分布等因素有关。

关于“姆本巴效应”的解释，虽然有各种说法，但哪种因素是起主要作用的，还很难说。不过，归纳起来最主要的原因，有以下四种：

1.              蒸发携带潜热，高温的水，易于蒸发，而蒸发过程会携带大量潜热，是高温水易于结冰的一种原因。

2.              溶解的气体影响结冰，高温的水，能够溶解的氧、氮、二氧化碳等气体较少，而溶解较多的气体时，比较不容易结冰。

3.              容器周围的对流，高温的水，能够很快加热容器周围的空气，使这些空气很快地对流，而对流强就能够更快地带走更多的热量。

4.              超低温冰冻现象。水有时候在低于摄氏零度才结冰，低温的水发生这种超低温冰冻现象的可能性更大。

总之，有关“姆本巴效应”的研究还在进行。这有点像18世纪在力学中曾经热极一时的“最速落径”问题。即一个物体在空间的A点，靠自重向高程较低的B点运动，问沿什么曲线下落最快。这个问题，在1700年为瑞士数学家雅科布·伯努利（Jacob Bernoulli,1654－1705）解决了。现在的问题是，固定容器里有一种温度已知的物质，在一定的相同的外部条件下，问采取怎样的路径，能够使它最快地达到结冰状态。“姆本巴效应”等于说，在相同的外部条件下，初始温度较高的反而较快。就是说，在开始温度相同时，适当快速加热，反而会比直接降温能更快地结冰。这个问题看似简单，实际上会是相当复杂的。

参考文献

〔1〕       Mpemba and Osborne, "Cool", Physics Education vol. 4, pgs 172-5 (1969)

附记：

这是几年前写的一篇文章。材料是从杂志和网络上收集的。我一直等待自己亲手做实验来验证姆本巴发现的现象，究其真假后再发表。但要认真做实验，首先必须有一台专用的冰箱。必须在冰箱平衡的条件下，测量冰箱内各处的温度是否均匀。否则姆本巴的发现就不能成立。还要试验在冰箱内有不同的障碍物，如以不同的方式搁置泡沫塑料块，来看什么情况下出现姆本巴现象。

遗憾的是，家里的冰箱总是让老伴塞得满满地。一直没有付诸实施。按理说，为了做这个实验，就是专门买一台冰箱，也费不了多少钱，不过这又是我这个退休的“民科”所难于办到的。所以我要申明，我发这个帖子前，没有做过实验。

看了这个帖子的朋友，你有没有兴趣，又有条件做一下实验。并且发个帖子，交流一下你的实验结果。