姆潘巴现象（姆潘巴现象）

简介

姆潘巴现象

指在同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

亚里士多德：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”可理解为“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较加热过的水更快结冰”

亚里士多德、弗兰西斯·培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象，但是均未能引起广泛的注意（注意亚里士多德的描述与上述大不相同）。1963年，坦桑尼亚的一位中学生姆潘巴在制作冰淇淋时发现，热牛奶经常比冷牛奶先结冰，1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。

液体降温速度的快慢不是由液体的平均温度决定，而是由液体温度梯度决定的，当热的液体冷却时，梯度较大，而且在冻结前的降温过程中，热的液体的温度差一直大于冷的液体的温度差。这种情况是由于上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。

也有人说亚里士多德描述的可能不是姆潘巴现象。书中的原话是：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”指的是被加热过的（warmed）水，而非热水或温水（warm water）。

理论及实验

一篇《二十世纪十大科学骗局》的文章，里面提到姆潘巴现象只是愚人节的产物。这被很多文章和论文引用。起初也有不少学者并不相信姆潘巴现象。但随着姆潘巴现象一次次的被重复验证，人们开始不解并研究其中的原因。

在过去长期研究中，虽有不少研究者提出一些理论模型机制，但由于该现象本身叙述较为笼统，且涉及大量复杂的数学层面分子模型机制建立和热学实验，使这些模型理论并未受所有人接受。《物理世界》的一位评论家写道：“即使姆潘巴效应是真实的——如果热水有时比冷水冻结得更快——也不清楚这种解释是微不足道的还是有启发性的。”初始参数（包括水的类型和初始温度、溶解气体和其他杂质，以及容器的大小、形状和材料，以及冰箱的温度），并且需要确定确定冻结时间的特定方法，所有这些都可能影响姆潘巴效应的存在或不存在。所需的大量多维实验可能可以解释为什么还不能理解这种效应。 《新科学家》建议在35和5°C(95和41°F)的容器上开始实验，以使这种效应最大化。在相关的研究中，人们发现冷冻温度也影响观察Mpemba现象的可能性以及容器温度。

2012年，英国皇家化学学会举办比赛，解释姆潘巴现象。超过22000人参加，最后Erasto Mpemba本人宣布Nikola Bregovivic为获胜者。Bregović提出了造成这种影响的两个原因——较冷的样品过冷而不是冻结，较温暖的样品中的增强对流通过保持容器壁上的热梯度而加速冷却。

然而不少研究者对上述见解仍有争议。主流观点认为水中的氢键对这一现象至关重要。2015年Jin Jaehyeok等人从结晶层面提出在温水中水六聚体态的较高占比是姆潘巴效应下更快结晶的原因。陶和同事在2016年根据振动光谱和密度泛函理论优化水团簇模拟的结果提出了另一种可能的解释：随着温度升高，总体氢键作用减弱其中弱静电氢键断裂而强氢键的数量增加；当温水快速冷却时，由这些少量的强氢键带来的小而强结合的团簇的存在促进了六边形冰的成核，因此出现了姆潘巴现象。

在2017年，两个研究小组独立且同时发现了姆潘巴效应的理论证据，并且还预测了一种新的“反向”姆潘巴效应，其中加热冷却的、远离平衡的系统比最初更接近平衡的另一个系统花费更少的时间。Lu和Raz 给出了基于马尔可夫统计力学的一般准则，预测了Ising模型和扩散动力学中逆姆潘巴效应的出现。Lasanta及其同事 还预测了颗粒气体在远离平衡的初始状态下的直接和反向姆潘巴效应，这篇最新的研究中提出导致这两种姆潘巴效应的一个非常普遍的机制是由于粒子速度分布函数显著偏离了麦克斯韦-玻尔兹曼分布。