科學家揭開熱水凍結速度超過冷水之謎
新浪科技 北京時間3月29日消息，據英國《新科學家》雜志報道，有時候，熱水的凍結速度反而會超過冷水，這是為什么呢？這種怪異的現象困擾了幾代科學家。經過數百次實驗，紐約州立大學賓厄姆頓分校負責輻射安全的官員詹姆斯·布朗里奇最終發現證據，證明這種現象可能與水中雜亂無章的雜質有關。
熱水快速凍結現象被稱之為“姆佩巴效應”，以坦桑尼亞學生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名。對于姆佩巴效應，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，因為這種效應并不可靠，冷水凍結速度往往還是超過熱水。
布朗里奇認為，雜亂無章的雜質才是導致熱水更快速凍結的關鍵因素。過去10年時間里，他利用空閑時間進行了數百次有關姆佩巴效應的實驗，最終發現這種效應基于不穩定過度冷卻現象的證據。
布朗里奇說：“水幾乎從不在溫度降到零度時凍結，通常是在更低溫度下才開始凍結，也就是所說的過度冷卻現象。凍結點取決于水中與冰晶形成有關的雜質。通常情況下，水可能含有幾種類型雜質，其中包括塵粒、被溶解的鹽類以及細菌，每一種雜質都能在特定溫度下觸發凍結機關。核化溫度最高的雜質決定了水的凍結溫度。”
布朗里奇對兩個同樣溫度的水樣——20攝氏度的自來水——進行了實驗。他把水樣裝入試管，而后放入冰箱中冷凍。由于雜質的隨機混合導致其擁有更高凍結點，其中一個水樣將首先凍結。如果這種差異足夠大，姆佩巴效應便會出現。布朗里奇選擇自然凍結點更高的水樣，并將其加熱到80攝氏度，另一個則只加熱到室溫，而后將試管放回冰箱。他表示，如果熱水凍結點至少高出5攝氏度，其凍結速度往往會超過冷水。
可能讓人感到驚訝的是，區區5攝氏度就是一個足夠大的差異，幫助溫度更高的水首先“沖過終點線”。而如果以60攝氏度作為起步點，它們在這場凍結較量中便要以失敗告終。物體與周圍環境——具體到這項實驗，指的就是冰箱——的溫差越大，其凍結的速度就越快。也就是說，在溫度較低的水樣達到零下7攝氏度這一凍結點前，熱水樣首先達到零下2攝氏度這一凍結點，進而以更快的速度凍結，
為什么其他人沒有注意到這一點？布朗里奇表示，其他人在一次研究一個因素時并沒有很好地控制實驗環境，例如必須控制容器的類型以及水樣在冰箱中的位置。但布朗里奇所做的工作不可能終結有關姆佩巴效應的爭論。美國密蘇里州圣路易斯華盛頓大學的喬納森·卡特茲便持懷疑態度。
根據卡特茲的理論，加熱能夠驅除二氧化碳等雜質，進而提高水的凍結點。這也就意味著，加熱實際上提高了水首先凍結的機會，而不是布朗里奇所說的與雜亂無章的雜質有關。他說：“他可能發現了一種與姆佩巴類似的過度冷卻效應。”
姆佩巴效應得名由來
這種怪異的現象擁有很長的歷史。公元前4世紀，亞里斯多德首次發現姆佩巴效應。他這樣寫道：“之前被加熱的水凍結速度更快。因此，在希望快速冷卻熱水的時候，很多人會首先將它放在陽光下加熱。”
弗朗西斯·培根也曾發現這種現象。他在1620年寫道：“與溫度極低的水相比，溫度稍高的水更容易凍結。”萊恩·笛卡爾在1637年指出：“經驗告訴我們，在火上長時間加熱的水凍結速度超過其他水。”
上世紀60年代，這種效應開始走進現代科學界的視線。當時，坦桑尼亞學生姆佩巴對他的老師說，通過將一種加熱過的混合物放入冰箱，他能夠以比正常情況更快的速度制作冰激凌。這種觀點一度讓姆佩巴成為同學們的笑柄，直到學校的一名督學在達累斯薩拉姆重復這項實驗證明他的話所言非虛，姆佩巴才得到“平反”。
