熱水比冷水結冰更快？這個曾入選十大科學騙局的現象正在被證實

一杯熱水，一杯冷水，把它們都放進冰箱，哪一個先結冰？常識告訴我們，冷水會先結冰。
但包括亞里士多德、勒內·笛卡爾和弗朗西斯·培根在內的很多杰出人士都觀察到，實際上熱水可能更快結冰。經驗豐富的水管工也告訴我們，在零度以下的天氣里，熱水管容易因冰凍爆裂，而冷水管卻完好無損。

半個多世紀以來，物理學家一直在爭論這樣的事情是否真的發生了。
熱水比冷水結冰快的現代術語是姆潘巴現象（Mpemba Effect），以坦桑尼亞少年埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）命名，他和物理學家丹尼斯·奧斯本（Denis Osborne）在20世紀60年代首次對其進行了系統的科學研究。
雖然他們能夠觀察到這種現象，但后續的實驗未能持續地復制這一結果。研究凍結的精確實驗可能會受到許多微妙細節的影響，研究人員常常難以確定他們是否已經考慮到了所有的混淆變量。
一直以來，關于水是否會發生姆潘巴現象的爭論還在繼續。這種現象在其他物質中也被發現了，包括結晶聚合物、被稱為籠狀水合物的冰狀固體，以及在磁場中冷卻的錳礦物。
這些新的方向正在幫助研究人員窺視脫離熱力學平衡的系統的復雜動力學。一組模擬失衡系統的物理學家預測，姆潘巴現象應該出現在各種各樣的材料中（以及它的逆現象，即冷物質比熱物質升溫更快）。
最近的實驗似乎證實了這些觀點。然而，最常見的物質水，卻被證明是最不可靠的。
加拿大西蒙菲莎大學的物理學家約翰·貝切霍費爾（John Bechhoefer）說：「把一杯水塞進冰箱里似乎很簡單。但一旦你開始思考，實際上就沒那麼簡單了。」
1969年發表在《物理教育》雜志上的一篇論文中，姆潘巴描述了坦桑尼亞一個中學里發生的一件事，當時他和他的同學正在制作冰淇淋。
學生們的冰箱空間有限，姆潘巴急著去拿最后一個可用的冰盤。他沒有像其他學生那樣等著煮牛奶加糖的混合物冷卻到室溫，就將其放入了冰箱。
一個半小時后，他的混合物凍成了冰淇淋，而他那些更有耐心的同學的混合物仍然是粘稠的液體漿液。當姆潘巴問他的物理老師為什麼會發生這種情況時，老師對他說：「你搞錯了，這不會發生。」
後來，奧斯本參觀了姆潘巴的高中物理課。他回憶說，那個少年舉手提問：「如果你拿兩個裝了等量水的燒杯，一個裝了35°C的水，另一個裝了100°C的水，把它們放進冰箱，100°C的那個先結冰。為什麼？」

出于好奇，奧斯本邀請姆潘巴到達累斯薩拉姆的大學學院，在那里他們和一名技術人員一起工作，提出了以姆潘巴名字命名的現象證據。盡管如此，奧斯本得出結論說，這些測試還很粗糙，需要進行更復雜的實驗來弄清可能發生的情況。
在過去的幾十年里，科學家們提供了各種各樣的理論解釋來解釋姆潘巴現象。
水是一種奇怪的物質，當它是固體時密度比液體小，而且固相和液相可以在相同的溫度下共存。
一些人認為，加熱水可能會破壞樣本中水分子之間松散的弱極性氫鍵網絡，增加其無序性，從而降低冷卻樣本所需的能量。
一個更普通的解釋是，熱水比冷水蒸發得更快，從而減少了它的體積，從而縮短了它結冰的時間。冷水還可能含有更多的溶解氣體，從而降低其冰點。
也可能是外部因素在起作用，比如冰箱里的一層霜可以起到阻隔的作用，防止熱量從冷杯子里漏出來，而熱杯子會融化霜，所以冷卻得更快。
這些解釋都假設熱水比冷水更快結冰的現象是真實存在的，但并非所有人都對此深信不疑。
2016年，倫敦帝國理工學院的物理學家亨利·伯里奇（Henry Burridge）和劍橋大學的數學家保羅·林登（Paul Linden）做了一個實驗，展示了這種現象對測量細節的敏感性。
他們推測，熱水可能首先形成一些冰晶，但需要更長的時間才能完全凍結。這兩種現象都很難測量，所以伯里奇和林登轉而記錄了水達到零攝氏度所需的時間。他們發現溫度計的讀數取決于他們把溫度計放在哪里。
如果他們在相同的高度比較熱杯和冷杯的溫度，姆潘巴現象沒有出現。但是，如果測量誤差哪怕只有一厘米，他們就可能產生關于姆潘巴現象的錯誤證據。
通過查閱文獻，伯里奇和林登發現，只有姆潘巴和奧斯本在他們的經典研究中發現了一個非常明顯的姆潘巴現象，以至于無法將其歸因于這種測量誤差。伯里奇說，這些發現「突顯出即使不包括冷凍過程，這些實驗也是多麼敏感」。
然而，許多研究人員認為，至少在某些條件下，姆潘巴現象是可能發生的。畢竟，亞里士多德在公元前4世紀寫道，「許多人想要快速冷卻水，就會先把水放在陽光下」，這種方法的好處在靈敏的溫度計發明之前就已經顯而易見了。學齡的姆潘巴同樣能夠觀察到他的冷凍冰淇淋和他同學的漿液之間的細微差別。
盡管如此，伯里奇和林登的發現強調了為什麼姆潘巴現象如此難以確定的一個關鍵原因：一杯快速冷卻的水的溫度是變化的，因為水是不平衡的，而物理學家對失衡系統知之甚少。
在平衡狀態下，瓶中的液體可以用一個有三個參數的方程來描述：溫度、體積和分子數量。把瓶子塞進冰箱，一切就都不一樣了。在外層邊緣的粒子將被陷入冰冷的環境中，而那些在深處的粒子將保持溫暖。像溫度和壓力這樣的標簽不再固定，而是不斷波動。
當北卡羅萊納大學的盧至悅在中學時讀到姆潘巴現象時，他溜進了他母親工作的中國山東省的一家煉油廠，用精密的實驗室設備測量了水樣本中的溫度隨時間的變化（他最終使水過冷而不結冰）。
後來，在研究生階段研究非平衡熱力學時，他試圖重新構建他研究姆潘巴現象的方法。

盧至悅遇到了現在在以色列魏茨曼科學研究所研究非平衡統計力學的奧倫·拉茲（Oren Raz），他們開始開發一個框架來研究姆潘巴現象，而不僅僅是對于水。他們2017年發表的論文模擬了粒子的隨機動力學，表明原則上存在的非平衡條件下，可能會發生姆潘巴現象及其逆現象。
抽象的研究結果表明，較熱系統的組件由于擁有更多能量，能夠探索更多可能的配置，從而發現充當一種旁路的狀態，當兩個系統都向更冷的最終狀態下降時，允許熱系統超越冷系統。
拉茲說：「我們都天真地認為溫度應該是單調變化的。從高溫開始，然后是中等溫度，再到低溫。但對于失衡的物質，說系統有溫度是正確的，既然是這樣就可能有奇怪的捷徑。」
這項發人深省的工作引起了其他人的興趣，包括一個西班牙小組，他們開始模擬顆粒流體（可以像沙子或種子等液體一樣流動的剛性顆粒的集合），并表明這些東西也可以產生類似姆潘巴現象。
弗吉尼亞大學的統計物理學家Marija Vucelja開始想知道這種現象有多普遍。在2019年的一項研究中，她、拉茲和兩名合著者發現，姆潘巴現象可能出現在很大一部分無序材料中，比如玻璃。
為了調查這些理論預感是否有任何現實世界的基礎，拉茲和盧至悅找到了加拿大西蒙菲莎大學的物理學家約翰·貝切霍費爾（John Bechhoefer）。
貝切霍費爾的實驗表明，距離目標較遠的系統可以比距離目標較近的系統更快到達目標。這似乎提供了一些關于姆潘巴現象如何在亞穩態系統中產生的見解，但是不是唯一的機制，或者任何特定物質如何經歷這種不平衡加熱或冷卻，目前尚不清楚。
確定這種現象是否發生在水中仍然是一個懸而未決的問題。今年4月，拉茲和他的研究生Roi Holtzman發表了一篇論文，表明姆潘巴現象可以通過一種相關的機制發生，拉茲之前和盧至悅在經歷二級相變的系統中描述過這種機制，這意味著它們的固體和液體形態不能在相同的溫度下共存。水不是這樣的系統，它有一階相變，但貝切霍費爾把這項工作描述為逐漸偷偷摸摸地尋找水的答案。
關于姆潘巴現象的理論和實驗工作已經開始給物理學家們提供了一個進入失衡系統的機會。確定哪些系統可能會以奇怪的和違反直覺的方式運行，會讓我們更好地了解系統是如何放松到平衡的。
姆潘巴少年時期的疑問引發了長達數十年的爭議，之后他自己繼續學習野生動物管理，後來成為坦桑尼亞自然資源和旅游部的官員。據丹尼斯·奧斯本的遺孀透露，姆潘巴已于2020年左右去世，但以他名字命名的姆潘巴現象仍然繼續被大量科學家研究。更有價值的是，姆潘巴現象指出了權威物理學的危險，也將激發更多年輕人的好奇心和探索精神。


[圖擷取自網路，如有疑問請私訊]