第1个回答 2017-02-08
热水比冷水结冰的速度更快?这个事实听上去与我们所了解的物理定律似乎正相反.一般来说,不同温度、同等质量的物质,其温度要降低到一个更低的点显然高温者需要释放更多的热量.在同等环境下,通常物质释放热量的速度是均匀的,然而神奇的水却展现了与其他物质所不同的一面——热水在冰箱这个寒冷环境下释放热量的速度会比冷水更快,从而导致热水“更容易”结冰.
这一现象被称为“姆佩巴效应”或“姆潘巴现象”,是根据一位坦桑尼亚的名叫姆佩巴的学生命名的.1963年,当姆佩巴还是个初三学生时,他在与同学们一起制作冰激凌时发现,他自己用热牛奶制作的冰激凌比他同学用冷牛奶制作的冰激凌结冰的速度更快.他对此疑惑不解,然而问遍了周围的人都得不到解释,却反而遭到了嘲笑.他并没有死心,并将这个问题带到了他的高中时代.一次偶然的机会,学校请来了达累斯萨拉姆大学的物理学教授丹尼斯.奥斯博恩(Denis G. Osborne)博士来做物理学的演讲,姆佩巴抓住了这次机会向奥斯博恩提出了这个问题.博士回到实验室成功地重复了这个现象,但也不知道其原因,于是他们决定共同来研究这个问题的答案.1969年,姆佩巴和奥斯博恩博士共同发表了关于这个现象的论文,论文被广为流传,成为全世界科学爱好者们共同的谜题,而这一现象也因此被命名为“姆佩巴效应”.
事实上,姆佩巴并不是发现这个现象的第一人.历史上,早至古希腊的亚里士多德,后至文艺复兴时期的培根及被称为“近代科学始祖”的笛卡尔都曾发现过这个现象.亚里士多德曾经写到:“之前被加热的水冻结速度更快.因此,在希望快速冷却热水的时候,很多人会首先将它放在阳光下加热.”培根则在1620年写道:“与温度极低的水相比,温度稍高的水更容易冻结.”而笛卡尔在1637年指出:“经验告诉我们,在火上长时间加热的水冻结速度超过其他水.” 然而限于过去的时代局限性和实验水平,这一现象并没有被细致的研究过.而姆佩巴效应也并没能以这几位伟人来命名.
一直以来,关于水的这个特殊现象仍然是个谜,难倒了无数物理学家.目前有很多对姆佩巴现象进行解释的假设.有一种理论认为,热水由于蒸发较多导致需结冻的液态水变少,从而使结冻速度更快;另一种理论认为,热水中溶解的气体被加速释放,导致了水变得更粘稠,从而容易结冻.这些假设虽然听上去有些道理,但大多都存在一些致命之处,都没能很好的解答姆佩巴效应的原理.
于是有的人甚至认为,姆佩巴效应是根本不存在的,导致这个结果产生的原因不过是由于科学实验过程的不严谨.然而这是不正确的,尽管有很多因不严谨而导致失败的实验存在,例如有人用99°C的水和1°C的水来做实验试图证明冷水结冰就是比热水快,但来自科学家们的实验过程却是严密而可控的.尽管在不同条件下热水不是每次都比冷水结冰块,但只要实验条件和温度合适,姆佩巴效应的确存在.
英国王家化学学会2012年曾经对姆佩巴效应的解答提供了1000英镑的悬赏,希望能借此激发青年人对科学的爱好和追求.在这一过程中,他们收到了近22000份解答,最后获得了“最佳解答”及奖金的,是克罗地亚萨格勒布大学一位名叫尼古拉•布雷高维克(Nikola Bregovic)的的化学助理研究员.他在实验室里用装满水的烧杯进行了实验,他的解答认为,水中的对流效应导致了姆佩巴效应的产生,热水中的对流更快,从而导致了其冷却速度比冷水更快.
尽管布雷高维克获得了英国王家化学学会的悬赏奖金,但这并不意味着姆佩巴效应已经得到了圆满的解答.不久前,新加坡南洋理工大学的孙长庆博士与张熙博士组织了物理学家团队来研究姆佩巴效应,他们尝试从分子水平的角度检验姆佩巴效应的过程.研究的结论是,水分子中共价键的作用,是导致姆佩巴效应产生的原因.