姆潘巴現象產生的原因是什麼?顛覆物理學是真的嗎?
2023-03-30 19:00:47
姆潘巴現象是一種有違人們認知的一種特殊現象，溫度略高的液體比溫度略地的液體會先結冰，在我們的認知中，說給誰聽都會被當作是一個傻子，培根和笛卡爾都曾發現過，但直到1963年一位坦尚尼亞的學生發現才引起注意，姆潘巴現象產生的原因是什麼呢？是不是真的呢？
姆潘巴現象介紹：
在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結冰的現象，被稱之為「姆潘巴現象」，以坦尚尼亞學生埃拉斯託·姆潘巴的名字命名。對於姆潘巴現象，物理學家曾提出幾種可能的假設，其中包括水分更快蒸發導致熱水體積變小，一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服，因為這種效應並不可靠，冷水凍結速度往往還是超過熱水。
姆潘巴現象的發現：
亞里斯多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦尚尼亞的馬乾巴中學三年級的學生姆潘巴經常與同學們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻後倒入冰格中，再放進冰箱冷凍。有一天，當姆潘巴做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放冰格的空位已經所剩無幾。為了搶佔剩下的冰箱空位，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，並送入冰箱。一個半小時後，姆潘巴發現了一個讓他十分困惑的現象：他放入的熱牛奶已經結成冰，而其他同學放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，水溫越低，結冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應該是冷牛奶比熱牛奶結冰速度快才對，但事實怎麼會顛倒過來了？
姆潘巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先後請教了幾個物理老師，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！但執著的姆潘巴並沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住三蘭港大學物理系系主任奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，又提出了自己的疑問。這位博士並沒有對他的問題嗤之以鼻。回到實驗室後，博士按照姆潘巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，結果都觀察到了姆潘巴所描述的顛覆常識的怪現象。於是，他邀請姆潘巴和他一起對這個現象進行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士共同撰寫了關於此現象的一篇論文，因此該現象便以其名字命名。
姆潘巴現象產生的原因：
1.物理原因：
從物理方面來說，致冷有四種並存的機制：輻射、傳導、汽化、對流。通過實驗觀察並對結果進行比較，發現引起熱水比冷水先結冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合效果。盛有初溫4℃冷水的杯，結冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱傳導不良的材料，液體內部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面。杯子裡的水由於溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結在表面。所以水在表面處最先結冰，其次是向底部和四周延伸，進而形成了一個密閉的「冰殼」。這時，內層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內層水溫繼續下降的正常進行。另外由於水結冰時體積要膨脹，已經形成的「冰殼」也對進一步結冰起著某種約束或抑制作用。
盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到「冰殼」 形成的現象，只是沿冰水的界面向液體內生長出針狀的冰晶。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，上層水冷卻後密度變大向下流動，形成了液體內部的對流，使水分子圍繞著各自的「結晶中心」結成冰。初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大，正是這種對流，使上層的水不易結成冰蓋。由於熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內的內能損耗較大，冷卻速率較大。當水面溫度降到0℃以下並有足夠的低溫時，水面就開始出現冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由於冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最後可以觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由於水內部冰晶已經生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長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「凝結核」一樣，水要結成冰，需要水中有許許多多的「結晶中心」。生物實驗發現，水中的微生物往往是結晶中心。某些微生物在熱水中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的「結晶中心」就要比冷水中的「結晶中心」多得多，加速了熱水結冰的協同作用：圍繞「結晶中心」生長出子晶，子晶是外延結晶的晶核。對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，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結晶釋放的能量則通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結成冰，直到水全部凍結為止。
姆潘巴現象是假的嗎？
美國華盛頓大學的喬納森·卡茨通過對姆潘巴現象的深入研究，捉到了隱藏其中的鬼怪。他證實，這種現象不但真實存在，而且造成這種現象發生的鬼怪也是真實存在的。不過，這其中的鬼怪只是隱藏在水裡面的一些尋常硬物。我們知道，水在加熱過程中，一些隱藏在水裡的易溶硬物——碳酸鈣和碳酸鏡等碳酸鹽會被驅逐出去，形成沉澱物。我們日常生活中常見的附在水壺內壁上的水垢，就是它們被驅出去的證據。而水在達到沸點以後，就會因硬物被絕大部分清除而軟化。卡茨發現，同樣是冷凍結冰，未經加熱的硬水在結冰過程中，由於其內部硬物作祟，使得硬水的冰點要比被加熱後的軟水冰點低一些，這就減緩了硬水結冰的速度。這一原理就如同下雪後向路面撒鹽會防止結冰一樣，鹽的混入，會使雪的冰點降低，這樣，雪結冰的過程就拉長了。
但僅憑這個發現還不能直接破解姆潘巴現象，因為姆潘巴的同學們在做冰棋淋的過程中，都先把生牛奶煮熟了。那為什麼姆潘巴的熱牛奶會先凍結呢? 卡茨發現，原因還是出在水裡的硬物上:為了吃到可口的冰漠淋，他們都在牛奶裡加了糖，而糖實際上會使牛奶液體變硬。但同樣是煮熟、加糖的牛奶，熱牛奶液體的硬度實際要比冷牛奶的硬度要低一點，這個硬度的差異造成了它們冰點的差異，硬度較高的冷牛奶冰點相對要低些。這樣，冰點略高的熱牛奶自然要比冰點略低的冷牛奶要先結冰了。
當然，還有另外一個原因能夠降低低溫水的結冰速度，因為實驗證明，熱量從水中流失的速度取決於溫差，就是說在同樣的低溫環境裡，溫度相對較高的水比溫度相對較低的水散熱速度要快一些。換成牛奶，道理也是一樣。但並不是每次都會出現，卡茨認為，原因就在於試驗者一開始用的就是軟水。用同樣的軟水來做冷熱實驗，由於水的冰點都一樣，而且散熱速度的快慢對結冰速度的影響很微弱，所以姆潘巴現象就不那麼顯而易見了。有科學家指出，卡茨的發現很可能不是姆潘巴現象的終極答案，但和目前現有的各種答案相比，這個答案還是最有說服力的。
