姆潘巴現(xiàn)象是一種有違人們認(rèn)知的一種特殊現(xiàn)象，溫度略高的液體比溫度略地的液體會(huì)先結(jié)冰，在我們的認(rèn)知中，說給誰聽都會(huì)被當(dāng)作是一個(gè)傻子，培根和笛卡爾都曾發(fā)現(xiàn)過，但直到1963年一位坦桑尼亞的學(xué)生發(fā)現(xiàn)才引起注意，姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么呢？是不是真的呢？

姆潘巴現(xiàn)象介紹：

在同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結(jié)冰的現(xiàn)象，被稱之為“姆潘巴現(xiàn)象”，以坦桑尼亞學(xué)生埃拉斯托·姆潘巴的名字命名。對(duì)于姆潘巴現(xiàn)象，物理學(xué)家曾提出幾種可能的假設(shè)，其中包括水分更快蒸發(fā)導(dǎo)致熱水體積變小，一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質(zhì)濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服，因?yàn)檫@種效應(yīng)并不可靠，冷水凍結(jié)速度往往還是超過熱水。

姆潘巴現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：

亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級(jí)的學(xué)生姆潘巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中，再放進(jìn)冰箱冷凍。有一天，當(dāng)姆潘巴做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，姆潘巴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓他十分困惑的現(xiàn)象：他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，水溫越低，結(jié)冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶結(jié)冰速度快才對(duì)，但事實(shí)怎么會(huì)顛倒過來了？

姆潘巴把這個(gè)疑惑從初中帶到了高中。他先后請(qǐng)教了幾個(gè)物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做姆潘巴的物理吧！但執(zhí)著的姆潘巴并沒有認(rèn)為自己的問題很荒唐，他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系系主任奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機(jī)會(huì)，又提出了自己的疑問。這位博士并沒有對(duì)他的問題嗤之以鼻。回到實(shí)驗(yàn)室后，博士按照姆潘巴的陳述做了冷熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷熱水物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了姆潘巴所描述的顛覆常識(shí)的怪現(xiàn)象。于是，他邀請(qǐng)姆潘巴和他一起對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名。

姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：

1.物理原因：

從物理方面來說，致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流。通過實(shí)驗(yàn)觀察并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流三者相互作用的綜合效果。盛有初溫4℃冷水的杯，結(jié)冰要很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樗筒ＡФ际菬醾鲗?dǎo)不良的材料，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面。杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在表面。所以水在表面處最先結(jié)冰，其次是向底部和四周延伸，進(jìn)而形成了一個(gè)密閉的“冰殼”。這時(shí)，內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導(dǎo)和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進(jìn)行。另外由于水結(jié)冰時(shí)體積要膨脹，已經(jīng)形成的“冰殼”也對(duì)進(jìn)一步結(jié)冰起著某種約束或抑制作用。

盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時(shí)間相對(duì)來說要少得多，看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼” 形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長(zhǎng)出針狀的冰晶。隨著時(shí)間的流逝，冰晶由細(xì)變粗，這是因?yàn)槌鯗馗叩臒崴蠈铀鋮s后密度變大向下流動(dòng)，形成了液體內(nèi)部的對(duì)流，使水分子圍繞著各自的“結(jié)晶中心”結(jié)成冰。初溫越高，這種對(duì)流越劇烈，能量的損耗也越大，正是這種對(duì)流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。由于熱傳遞和相變潛熱，在單位時(shí)間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大。當(dāng)水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時(shí)，水面就開始出現(xiàn)冰晶。初溫較高的水，生長(zhǎng)冰晶的速度較大，這是由于冰蓋未形成和對(duì)流劇烈的緣故，最后可以觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長(zhǎng)而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長(zhǎng)速率與單位表面能成正比，所以生長(zhǎng)速度仍然要比初溫低的水快得多。

2.生物原因：

同雨滴的形成需要“凝結(jié)核”一樣，水要結(jié)成冰，需要水中有許許多多的“結(jié)晶中心”。生物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水中的微生物往往是結(jié)晶中心。某些微生物在熱水中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結(jié)晶中心”就要比冷水中的“結(jié)晶中心”多得多，加速了熱水結(jié)冰的協(xié)同作用：圍繞“結(jié)晶中心”生長(zhǎng)出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核。對(duì)流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長(zhǎng)出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結(jié)晶釋放的能量則通過對(duì)流放出，而各相鄰的冰粒又連結(jié)成冰，直到水全部?jī)鼋Y(jié)為止。

姆潘巴現(xiàn)象是假的嗎？

美國(guó)華盛頓大學(xué)的喬納森·卡茨通過對(duì)姆潘巴現(xiàn)象的深入研究，捉到了隱藏其中的鬼怪。他證實(shí)，這種現(xiàn)象不但真實(shí)存在，而且造成這種現(xiàn)象發(fā)生的鬼怪也是真實(shí)存在的。不過，這其中的鬼怪只是隱藏在水里面的一些尋常硬物。我們知道，水在加熱過程中，一些隱藏在水里的易溶硬物——碳酸鈣和碳酸鏡等碳酸鹽會(huì)被驅(qū)逐出去，形成沉淀物。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷母皆谒畨貎?nèi)壁上的水垢，就是它們被驅(qū)出去的證據(jù)。而水在達(dá)到沸點(diǎn)以后，就會(huì)因硬物被絕大部分清除而軟化。卡茨發(fā)現(xiàn)，同樣是冷凍結(jié)冰，未經(jīng)加熱的硬水在結(jié)冰過程中，由于其內(nèi)部硬物作祟，使得硬水的冰點(diǎn)要比被加熱后的軟水冰點(diǎn)低一些，這就減緩了硬水結(jié)冰的速度。這一原理就如同下雪后向路面撒鹽會(huì)防止結(jié)冰一樣，鹽的混入，會(huì)使雪的冰點(diǎn)降低，這樣，雪結(jié)冰的過程就拉長(zhǎng)了。

但僅憑這個(gè)發(fā)現(xiàn)還不能直接破解姆潘巴現(xiàn)象，因?yàn)槟放税偷耐瑢W(xué)們?cè)谧霰辶艿倪^程中，都先把生牛奶煮熟了。那為什么姆潘巴的熱牛奶會(huì)先凍結(jié)呢? 卡茨發(fā)現(xiàn)，原因還是出在水里的硬物上:為了吃到可口的冰漠淋，他們都在牛奶里加了糖，而糖實(shí)際上會(huì)使牛奶液體變硬。但同樣是煮熟、加糖的牛奶，熱牛奶液體的硬度實(shí)際要比冷牛奶的硬度要低一點(diǎn)，這個(gè)硬度的差異造成了它們冰點(diǎn)的差異，硬度較高的冷牛奶冰點(diǎn)相對(duì)要低些。這樣，冰點(diǎn)略高的熱牛奶自然要比冰點(diǎn)略低的冷牛奶要先結(jié)冰了。

當(dāng)然，還有另外一個(gè)原因能夠降低低溫水的結(jié)冰速度，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明，熱量從水中流失的速度取決于溫差，就是說在同樣的低溫環(huán)境里，溫度相對(duì)較高的水比溫度相對(duì)較低的水散熱速度要快一些。換成牛奶，道理也是一樣。但并不是每次都會(huì)出現(xiàn)，卡茨認(rèn)為，原因就在于試驗(yàn)者一開始用的就是軟水。用同樣的軟水來做冷熱實(shí)驗(yàn)，由于水的冰點(diǎn)都一樣，而且散熱速度的快慢對(duì)結(jié)冰速度的影響很微弱，所以姆潘巴現(xiàn)象就不那么顯而易見了。有科學(xué)家指出，卡茨的發(fā)現(xiàn)很可能不是姆潘巴現(xiàn)象的終極答案，但和目前現(xiàn)有的各種答案相比，這個(gè)答案還是最有說服力的。