世界难题--姆潘巴现象

【姆潘巴现象】是挑战牛顿吗？~

跳出圈子思考 “姆潘巴”现象最大的价值，在于 “它鼓励人们跳出圈子思考，敢于挑战权威”。布勒格维克的解释对我来说像听天书，不敢不懂装懂。实际上，评选委员会对他的解释也不尽满意，只是在认为在收到的所有答案中，最可能接近实事的解释罢了。其实这并不重要。在22000份答案中，有351份的答案竟然都是以同样的一句话开头：“我不是搞科学的，但是…”负责评审的奥斯伯恩教授说，这个活动如此吸引人，正因为它是身边的科学，人们家里都有冰箱，人人可以动手一试，而且结果出人意料。但“姆潘巴”现象最大的价值，奥斯伯恩教授50年后的今天总结说，是“它鼓励人们跳出圈子思考，敢于挑战权威”。当然，如果能对“姆潘巴”现象作出一锤定音的、无可辩驳的解释，也同样有价值。

一、姆佩巴效应
人们通常都会认为，一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时，冷水结冰快。事实并非如此。1963年的一天，在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里，一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后，准备放进冰箱里做冰淇淋。他想，如果等热牛奶凉后放入冰箱，那么别的同学将会把冰箱占满，于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久，他打开冰箱一看，令人惊奇的是，自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意，相反在为他们的笑料。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇，但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验，其结果也姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中，热水比冷水结冰快。此后，世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象，还将这种现象命名为姆佩巴效应（Mpemba Effect）。

二、姆佩巴效应的历史
热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪。最早提到并记载此一现象的数据，可追溯到公元前300年的亚里斯多德，他写道：
先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷却热水，他们会先放它在太阳下...
但在 20 世纪前，此现象只被视为民间传说。直到1969年，才由Mpemba再次在科学界提出。自此之后，很多实验证实了 Mpemba 效应的存在，但没有一个唯一的解释。
大约在1461年，物理学家 Giovanni Marliani 在一个关于物体怎样冷却的辩论上，说他已经证实了热水比冷水更快结冰。他说他用了四盎司沸水，和四盎司未加热过的水，分别放在两个小容器内，置于一个寒冷冬天的屋外，发现沸水首先结冰。但他没能力解释此一现象。
到了十七世纪初，此现象似乎成为一种常识。1620年培根写道水轻微加热后，比冷水更容易结冰。不久之后，笛卡儿说经验显示，放在火上一段时间的水，比其它水更快地结冰。
直至1969年，那已是Marliani实验500年之后，坦桑尼亚中学的一个命叫Mpemba的中学生再发现此现象的故事，被刊登在《新科家》（New Scientist）杂志。这个故事告诉科学家和老师们，不要忽视非科学家的观察，和不要过早下判断。
1963年，Mpemba 正在学校造雪糕，他混合沸腾的牛奶和糖。本来，他应该先等牛奶冷却，之后再放入冰箱。但由于冰箱空间不足，他不等牛奶冷却，就直接放入去。结果令他很惊讶，他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰。他问他的物理老师为什么，但老师说，他一定是和其它同学的雪糕混淆了，因为他的观察是不可能的。
当时Mpemba 相信他老师的说法。但那一年后期，他遇见他的一个朋友，他那朋友在 Tanga 镇制造和售卖雪糕。他告诉Mpemba，当他制造雪糕时，他会放那些热液体入冰箱，令他们更快结冰。Mpemba发觉，在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验。
后来，Mpemba学到牛顿冷却定律，它描述热的物体怎样变冷（在某些简化了的假设下）。Mpemba 问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。这位老师同样回答是一定Mpemba混淆了。当Mpemba继续争辩时，这位老师说：所有我能够说的是，这是你Mpemba的物理，而不是普遍的物理。从那以后，这位老师和其它同学就用那是Mpemba的数学或那是Mpemba的物理来批评他的错误。但后来，当Mpemba在学校的生物实验室，尝试用热水和冷水做实验时，他再一次发现：热水首先结冰。
更早时，有一位物理教授Osborne博士访问Mpemba的那间中学。Mpemba问他这个问题。Osborne博士说他想不到任何解释，但他迟些会尝试做这个实验。当他回到他的实验室，便叫一个年轻的技术员去测试Mpemba的实验。这位技术员之后报告说，是热水首先结冰，又说：但我们将会继续重复这个实验，直至得出正确的结果。然而，实验报告给出同样的结果。在1969年，Mpemba和Osborne报导他们的结果。
同一年，科学上很常见的巧合之一，Kell博士独立地写了一篇文章，是关于热水比冷水先结冰的。Kell 显示，如果假设了水最初是透过蒸发冷却，和维持均匀的温度，这样，热水就会失去足的质量而首先结冰。Kell因此表明这种现象是真的（当时，这现象在加拿大城市是一个传闻。），而且能够用蒸发来解释。然而，他不知道Osborne的实验。Osborne测量那失去的质量，发现蒸发不足以解释此现象。后来的实验采用密封的容器，排除了蒸发的影响，仍然发现热水首先结冰。

三、对姆佩巴效应的各种解释
什么是Mpemba效应？有两个形状一样的杯，装着相同体积的水，唯一的分别是水的温度。现在将两杯水在相同的环境下冷却。在某些条件下，初温较高的水会先结冰，但并不是在任何情况下，都会这样。例如，99.9℃的热水和0.01℃的冷水，这样，冷水会先结冰。Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下，都可看到。
一般人会认为这似乎是不可能的，还有人会试图去证明它不可能。这种证明通常是这样的：30℃的水降温至结冰要花10分钟，70℃的水必须先花一段时间，降至30℃，然后再花 10分钟降温至结冰。由于冷水必须做过的事，热水也必须做，所以热水结冰慢。这种证明有错吗？
这种证明错在，它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响。但事实上，除了平均温度，其它因素也很重要。一杯初始温度均匀，70℃的水，冷却到平均温度为30℃的水，水已发生了改变，不同于那杯初始温度均匀，30℃的水。前者有较少质量，溶解气体和对流，造成温度分布不均。这些因素会改变冰箱内，容器周围的环境。下面会分别考虑这四个因素。
1. 蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中，热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少，令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热，理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应。 这个解释是可信的和很直觉的，蒸发的确是很重要的一个因素。然而，这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验，在封闭的容器，没有水蒸气能离开。很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验。
2. 溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体，随着沸腾，大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流（因而较易冷却），或减少单位质量的水结冰所需的热量，或者改变沸点。有一些实验支持这种解释，但没有理论计算的支持。
3. 对流——由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热—叫热顶。如果水主要透过表面失热，那么，热顶的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一热顶，因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。虽然在实验中，能看到热顶和相关的对流，但对流能否解释Mpemba效应，仍是未知。
4. 周围的事物——两杯水的最后的一个分别，与它们自己无关，而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式，改变它周围的环境，从而影响到冷却过程。例如，如果这杯水是放在一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜，从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地，这样的解释不够一般性，很多实验都不会将容器放在霜层上。
最后，过冷在此效应上，可能是重要的。过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象。有一个实验发现，热水比冷水较少会过冷。这意味着热水会先结冰，因为它在较高的温度下结冰。但这也不能完成解释Mpemba效应，因为我们仍需解释为什么热水较少会过冷。
在很多情况下，热水较冷水先结冰，但并不是在所有实验中都能观察到这种现象。而且，尽管有很多解释，但仍没有一种完美的解释。所以，姆佩巴效应仍然是一个谜。
但是已证明这是错的了！！！

简介
姆潘巴现象（Mpemba effect），又名姆佩姆巴效应，指在同等体积、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、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。1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做姆潘巴现象吧！但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。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。
“姆潘巴现象”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗？四十多年来，许多论文与实验试图证实这个现象背后的原理，但由于缺乏科学实验数据以及定量分析，至今没有定论。
[编辑本段]难以解释的现象
最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现，当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻，热水水体的上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的热水内产生的高低温度差接近14℃，而初温为47℃的热水内产生的高低温度差只有10℃。这说明在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢？这只能有一种解释比较合理，那就是水体上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快，冻结也就愈快。这便是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。
但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验，结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实，只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，“姆潘巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象，其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。
[编辑本段]硬物作怪
最近 , 美国华盛顿大学的乔纳森•卡茨通过对姆潘巴现象的深入研究 , 捉到了隐藏其中的鬼怪 。他证实 , 这种现象不但 真实存在 , 而且造成这种现象发生的鬼怪 也是真实存在的。 不过 , 这其中的鬼怪只是隐藏在水里面的一些寻常 " 硬物"。
在破解姆潘巴现象的过程中 , 卡茨把目光盯在了水上。 我们知道 , 水在加热过程中 , 一些隐藏在水里的易溶硬物 ——碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会 被驱逐出去 , 形成沉淀物。我们日常生活中常见的附在水壶 内壁上的水垢 , 就是它们被驱出去的证据。而水在达到沸点以后 , 就会因硬物被绝大部分清除而软化。卡茨发现 , 同样是冷冻结冰 , 未经加热的硬水 在结冰过程中 , 由于其内部硬物作祟 , 使得硬水的冰点要比被加热后的软水冰点低一些 , 这就减缓了硬水结冰的速度。这一 原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样 , 盐的混入 , 会使雪的冰点降低 , 这样 , 雪结冰的过程就拉长了。
但仅凭这个发现还不能直接破解姆潘巴现象, 因为姆潘巴的同学们在做冰淇淋的过程 中 , 都先把生牛奶煮熟了。那为 什么姆潘巴的热牛奶会先冻结 呢 ? 卡茨发现 , 原因还是出在水里的硬物上 : 为了吃到可口的冰漠淋 , 他们都在牛奶里加了糖 , 而糖实际上会使牛奶液体变硬。但同样是煮熟、加糖的牛奶 , 热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低一点 , 这个硬度的差异造成了它们冰点的差异 , 硬度较高的冷牛奶冰点相对要低些。这样 , 冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要 先结冰了。
当然 , 还有另外一个原因能够降低低温水的结冰速度 , 因为实验证明 , 热量从水中流失的速度取决于温差 , 就是说在同样的低温环境里 , 温度相对较高的水比温度相对较低的水散热速度要快一些。换成牛奶 , 道理也是一 样。
那么为什么在众多实验中 , 姆潘巴现象不会每次都出现 ? 卡茨认为 , 原因就在于试验者一开始用的就是软水。用同样的软水来做冷热实验 , 由于水的冰点都一样 , 而且散热速度的快慢对结冰速度的影响很微弱 , 所以 姆潘巴现象就不那么显而易 见了。
有科学家指出 , 卡茨的发现很可能不是姆潘巴现象的终极答案 , 但和目前现有的各种答案相比 , 这个答案还是最有说服力的。
“硬水论”存在的误区：
其一，在自然界能够符合人类生活要求的水硬度不可能很高，否则会危害身体健康。所以，人类日常使用的硬水即使煮沸后其冰点温度不会明显上升，在一般的冰箱降温条件下很难出现热水先结冰现象。不然的话热水比冷水先结冰现象会经常发生，物理老师也不可能称姆潘巴现象为谎言了。假若“硬水论”成立，前提是所有完成开水先结冰实验的研究者都选用了硬度极高的、对人类有害的水，这显然不符合常理。
其二，从理论上讲，在自然界里有很多情况都可以让水在煮沸后使其冰点温度上升。例如：当水或牛奶被微生物污染后，冰点温度会下降，但经过煮沸后冰点温度也将上升，等等。
其三，根据水的基本物理特性，采用软水也可以完成姆潘巴现象的实验，在现实中用软水完成这个实验的例子也很多。
[编辑本段]摆脱常识束缚

现在看来 ，姆潘巴现象 作为一个 结冰特例 并没有颠覆我们以往的有关常识 , 但它毕竟对我们的常识进行了一次激烈挑战 , 丰富了我们对水的认识。 如果我们被常识束缚 , 硬把这个怪异现象当做荒唐现象来看待 , 那么我们就不会对水在特殊条件下的结冰特点有新发现。相反 , 如果我们在尊重常识的同时 , 还善于摆脱常识的柬缚 , 我们才会有新发现。
还是以水为例 , 美国研究人员发现 , 用水分子可以做成水膜, 这种水膜像蜡那样能 起到防水作用。他们在铀的表面 铺上一层水膜, 结果发现新泼上去的水就像雨点在打蜡的汽车上的表现一样 , 很快被水膜赶走了。
还有 , 作为常识 , 人们都知道 , 水的冰点是0 ℃。但韩国一 个科研小组发现 , 水在 20 ℃时也 可以凝结成冰。这些研究人员在 使用扫描隧道显微镜观察电子如 何穿过一层水膜 , 到达水膜下的 电极的过程中 , 获得了这个意外 发现。在观察过程中 , 他们通过 检测仪器显示的异常数据得知 , 扫描隧道显微镜的带电金属尖端 在水膜中上下震动时遭到阻碍。 之所以会这样 , 原因是下降中的金属尖端下方的水分子瞬间凝固 , 形成了对尖端的阻碍。后来 经过反复实验证实 , 随着扫描隧道显微镜的带电金属尖端不断下降 , 它与水膜下面电极的距离也就越近 , 而两者越近 , 两者之间 形成的电场就越强。当达到大概 2 个水分子距离的时候 , 在强电场作用下 , 水转化为固体形态。
如果研究人员固守只有降温才能把水变成固体的常识 , 他们就很难获得这个重大发现。
此外 ,以往我们认为水分子形象是互相手拉手像金字塔那样的四面体 , 而科学家最近对水分子的研究表明 , 它们的形象并非是单一的四面体 , 而是多种多样的。研究还发现 , 水还能冻结成13 种典型的结晶体。
仅仅是司空见惯的水 , 就有如此多怪异的特性 , 自然界中一定有无数的怪异现象 , 挑战着我们的常识。
姆潘巴现象产生的原因：
根据中学物理理论：热水与冷水在同质同量同外部环境温度条件下不但它们的温度在变化，它们各自的密度、体积、质量和密封状态下受到的气压等等都在发生变化，使得初温高的水降温速度始终快于初温低的水，只要外部环境温度持续下降，最终必然是初温高的水温度更低。（注：在常压条件下，当二者初始温度均不低于4摄氏度时恒成立；当二者初温均不高于4摄氏度时不成立；当二者中其一不高于4摄氏度，另一不低于4摄氏度时，则需针对它们的初始温度、密度、体积、质量和密封状态下的气压等展开讨论。）姆潘巴问题讨论初始温度分别为35摄氏度的水和100摄氏度的水，二者均高于4摄氏度，因此会产生姆潘巴现象．
1.冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；
2.如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；
3.姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰；
4.摆放的位置靠近冰箱导热管。
[编辑本段]其他解释：
目前本现象已由3名向明中学中国女学生证明只是上述4种因素的巧合.在正常情况下仍是冷水先结冰。3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。近日向明中学将邀请有关专家对这一实验课题进行评审鉴定。
去年11月起，在向明中学科技名师黄曾新的指导下，上海市3名女中学生——向明中学的庾顺禧、叶莎莎和上海中学的董佳雯，开始研究姆潘巴现象。4个月来最后得出结论：在同质同量同外部温度环境的情况下，热液体比冷液体先结冰是不可能的，并提出了引起误解的三种可能。她们认为，只有当冰箱有温差、牛奶含糖量不同或糖没有溶解、含有较多淀粉等非液体成分时，姆潘巴现象才有可能发生。(CCTV2005年7月6日20：30播出 破解姆潘巴)
姆潘巴现象的证明
姆潘巴现象被称为世界物理难题，四十多年来遭到了物理老师的否定，还被媒体说成是谎言。然而，根据中学物理理论我们可以发现姆潘巴问题只是一道中学生知识大综合题，每一名中学生都可以掌握其证明的方法。
证明：假设热水可以比冷水先结冰，那么必要条件是或者热水的冰点比冷水高、或者热水的降温速度比冷水快。由于在常压下纯净的热水与冷水冰点相同，所以要证明姆潘巴现象就必须证明热水的降温速度快于冷水。
根据物理基础理论：热水的蒸发强度大于冷水而密度小于冷水。如果取两只相同的非密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因蒸发而失去的水分比冷水多，所以初温高的水最终质量必然小于初温低的水，热水的降温速度也必然始终比冷水快。
如果取两只相同的密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因密度增大、体积缩小而形成的容器内气压必然低于冷水因降温而形成的容器内气压，热水的沸点温度比冷水低并且对流强度大于冷水，热水在单位时间内失去的热量始终比冷水多，所以热水的降温速度必然始终比冷水快。同时，根据水的三相图理论：当水受到的气压降低时，冰点温度升高。初温高的开水因最终受到的气压低于初温低的冷水，所以开水的冰点高于冷水的冰点。
由于在同质同量同外部环境温度条件下热水的降温速度始终比冷水快，当外部环境温度处于持续降温状态时，热水的温度会比冷水温度更低；当外部环境温度处于特定时间内或特定温度范围内降温状态时，热水的温度会与冷水相等或者高于冷水。所以，在同质同量同外部环境温度条件下热水的温度会比冷水温度更低是一种普遍现象，冷水比热水先结冰是在特定的外部环境温度条件下出现的特定现象。.如果我们选取同质同量的纯水，其一为4摄氏度的冷水，另一为100摄氏度的沸水，采用令二者降温速度十分缓慢的同一外部环境温度条件做实验，那么任何人都无法让4摄氏度的冷水比100摄氏度的热水先结冰。通过实验可以证明：姆潘巴现象符合物理基础理论，人们否定姆潘巴现象，主要是自身在观察客观事物方面或冷冻实验过程中存在不足。以上海三名高中生的实验为例：她们在黄曾新老师的指导下，仅仅做了在快速冷冻条件下的实验，没有去观察在缓慢降温条件下的冷冻结果，所以她们的实验不能成为否定姆潘巴现象的理由。
姆潘巴现象作为一种客观事实，数十年来却受到世界物理界的怀疑和争议，这几年国内更是一片否定之声。其实，完成这个证明是十分简单的事：将同质同量而初始温度分别为100摄氏度的开水与35摄氏度的凉水同时放进冰箱冷冻室内，如果冷冻室内的温度条件对水形成快速降温状态，我们看到的往往是初温低的水先结冰了，但这仅仅是一个片面现象。只要切断冰箱的电源，使冷冻室内的温度上升，当被冻结的开水与凉水完全溶化后，再一次进行冷冻实验，结果只能是原先的开水先结冰；如果反复这个实验过程，后面的结果都将是同一个结果。所以，在快速降温状态下冷水可以出现、也仅仅出现一次先结冰现象。
如果冰箱冷冻室的温度条件对水形成缓慢降温状态，我们看到的是初温高的开水先结冰。假若此时让冷冻室内的温度上升，当开水和凉水完全溶化后再一次降温冷冻，那么不论冷冻室内的温度条件处于何种状态，结果都是原先的开水先结冰。如此反复操作，同样只能是原先的开水先结冰。因此，在缓慢降温状态下冷水不可能先结冰。姆潘巴现象让我们对水的特性有了更多的了解，而《姆潘巴现象》所受到的遭遇说明科学而认真的态度在认识自然、掌握自然过程中的重要性。
附：完成开水先结冰实验的操作要点。
四十多年来，世界上很少有人完成开水先结冰的实验，其原因在于实验的方法缺乏科学性。从理论上说，在同质同量同外部环境温度条件下三十六摄氏度的水可以比三十五摄氏度的水先结冰，但如果二者的温度比较接近，那么它们在蒸发强度和密度上的差异较小，很难用实验的方法来体现热水在降温速度上的优势。根据物理基础理论，在常压下100摄氏度是水的沸点，在4摄氏度时水的密度最大，为了更清晰地完成热水先冰的实验，我们可以依据姆潘巴问题给出已知条件，选用尽可能接近100摄氏度的热水与4摄氏度的冷水、合理的外部环境实验初始温度、减缓外部环境温度的下降速度；非密封容器具备较大的蒸发面积，密封容器有较高的密封度。特别要注意开水的提取方法：沸水一但离开加热源，温度和蒸发强度的下降很快，必须快速准确的先提取定量的开水，然后再按同质同量要求提取冷水。
采用非密封容器完成开水先结冰实验的操作方法：（供参考）
1， 将冰箱冷冻室内的实验初始温度控制在4摄氏度，取两只相同的盘子，放入同质同量的水，一个为4摄氏度的冷水，另一个为接近100摄氏度的热水，把它们同时放进冰箱冷冻室内。控制冷冻室内温度的下降速度，使其每小时下降1摄氏度（或每二小时下降1摄氏度），完成冷冻后记录热水与冷水的最终质量。
2， 在冬季，利用自然降温完成这个实验。当某一天中午户外气温不低于4摄氏度而夜间的最低温度在零下2~3摄氏度时，可选择在中午时间取两只相同的盘子，放入同质同量的水，一个为接近100摄氏度的热水，另一个为温度与户外气温相同的冷水，把它们同时放到户外同一位置上，记录热水与冷水完全冻结的时间和二者最终的质量。
3， 参照上海三名高中生的实验方法操作，冷冻结束后记录热水与冷水的最终质量。根据热水最终质量小于冷水来证明：因为热水的降温速度始终快于冷水，热水可以比冷水先结冰。
采用密封容器做实验时，可参照非密封容器实验第1、第2种方法。
另：有人认为，亚里士多德的原文中对这一现象的描述是这样的：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰”，多数人很可能误解了此句话的本意，即“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下的比较”而非“热水与冷水的比较”。因此依据第二种理解即上文所论述的，姆潘巴现象是不成立的；而在第一种理解下，姆潘巴现象是有可能成立的。

姆潘巴现象的由来

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几，一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱。姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现热牛奶已经结成冰，而冷牛奶还是很稠的液体。

他去请教物理老师，为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结？老师的回答是：“你一定弄错了，这不可能。”后来，姆潘巴进高中后又向物理老师请教，得到的回答仍是：“你肯定错了。”当他继续与老师辩论时，老师讥讽他：“这是姆潘巴的物理问题。”一个极好的机会终于来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校，姆潘巴鼓足勇气向他提出问题：如果取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把放进冰箱，100℃的水却先结冰，为什么？奥斯玻恩博士的回答是：“我不知道，不过我保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果，博士的实验和姆潘巴说的一样。

3名高中女生破解世界性疑题——姆潘巴现象
http://tech.163.com/05/0304/15/1E0RHJAD00091537.html
用三色杯来查验液体在冰箱内的结冻情况

热牛奶为何比冷牛奶先结冰？在《十万个为什么》中被称为奇怪的“姆潘巴现象”，近日在老师指导下得到解答——3名高中女生破解世界疑题

实习生曹刚本报记者姚阿民文纪海鹰摄

在许多版本的《十万个为什么》里都会提到同一个带有传奇色彩的故事：1963年，坦桑尼亚的一位初三学生在制作冰淇淋时意外发现，热牛奶比冷牛奶先结冰。这个奇怪的现象后来以这位学生的名字命名——姆潘巴。42年后，3位上海的女中学生在老师指导下向同龄人姆潘巴发起了挑战。

一拍即合 师生课题组诞生

叶莎莎、庾顺禧和董佳雯都是从《十万个为什么》中第一次认识姆潘巴的，当时她们还在读小学。“感觉姆潘巴现象很难解释，但却从来没有怀疑过。因为小时候总认为书上写的都不会错。”这位曾获得过世界工程师大会未来工程师论坛第二名、来自向明中学高三的叶莎莎笑着回忆起了童年。

向明中学高二年级的庾顺禧同样也是多年的科创高手，在去年的上海市第五届中学生科学课题研究评比中，她个人有3件作品获奖。其中的多种脚控式自翻乐谱架和便携式家用电器安全电压检测器都受到了广泛好评。去年参加比赛的过程中，小庾无意间看到了其他同学做的姆潘巴研究，“当时很受启发，也很感兴趣，心里就有些蠢蠢欲动了。”

高二女生董佳雯目前就读于上海中学。她从小就是个生活中的有心人。看奥运会击剑比赛，见到中国选手多次受到裁判的不公正待遇，不平之余，她想到去改进击剑裁判的积分系统；数码照相机因误操作丢失了不少珍贵照片，顿足之后，她想为数码照相机设计一个“回收站”，便于“亡羊补牢”。

向明中学的科技指导老师黄曾新对姆潘巴现象关注已久，在一次课外课题研究过程中，他与学生聊起了姆潘巴，当时就引起了叶莎莎、庾顺禧和董佳雯的强烈兴趣。为了解决同一个世界性难题，4位师生“一拍即合”，课题组在去年11月初宣告诞生。

双管齐下 设备资料均备齐

“兵马未动，粮草先行”，3位女生通过查阅网上资料，选择了课题实验用的一些必需设备。向明中学领导得知这个课题后给予了全力支持，价值不菲的12点自动温度记录仪、带有温度显示的无霜电冰箱、温度传感器和电子天平秤等设备都在第一时间全部到位，学校为此共耗资6000余元。

通过互联网，她们查阅了大量的资料，没有发现权威的解释。尤其令人不解的是，几乎每年都有人撰写论文研究姆潘巴现象，但没有人进行定量分析，都缺乏令人信服的科学实验数据，也没有强有力的理论依据。随后，3位同学分头尝试用家用冰箱做实验，结果令人兴奋：热水和冷水几乎同时结冰——没有出现姆潘巴现象。初次实验的结果使她们产生深入研究姆潘巴现象的欲望。

设备和资料的准备工作双管齐下后，终于万事俱备、只等“开工”了。

三色“神”杯 制作实验全靠它

“三色杯”，一种普通的冰淇淋。炎夏的消暑良方在寒冬里找到了用武之地，发挥出了“一杯三用”的“神”效。

第一用，做实验容器。走进工作室，好几只空的“三色杯”零乱地散落在桌子上，显眼的同时还散发出淡淡的奶香。“这几个月里每天都和‘三色杯’打交道，估计以后再也吃不下了。”叶莎莎说。除了体积略显庞大的“三色杯”外，小一号的冰淇淋杯子也很受欢迎。

第二用，做液体原料。因为姆潘巴是在做冰淇淋的时候发现问题的。为了充分接近当时的操作条件，用冰淇淋来做实验理所当然。但谁也没做过冰淇淋，需要哪些原材料呢？最简单的办法就是买来现成的冰淇淋，等它融化之后就能循环利用了。价钱实惠的“三色杯”便“脱颖而出”。

第三用，突破瓶颈。课题在进行到一半时遭遇瓶颈。虽然实验表明是否加糖和加糖后是否搅拌都会对液体冰点产生影响，从而改变其结冰速度。但糖对液体结冰的干扰程度还不够明显，直到“淀粉”这个重要变量的出现。发现淀粉也多亏了“三色杯”。由于同样温度同样重量的冰淇淋总比纯牛奶先结冰，这就引发了3位同学的思考。偶然的机会，她们在“三色杯”的配料说明中看到了“淀粉”，试了以后茅塞顿开：原来正是淀粉的存在大大加快了液体结冰的速度。

四人攻关 探寻为何先结冰

3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。

虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……

严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。

此外，课题组还分析了姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况：

冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。

共同愿望 想与姆潘巴联系

“希望我们这个课题研究结束后，姆潘巴现象可以不用再讨论了。”57岁的黄曾新老师豪言万丈。如果课题组的结论能得到专家的认可，那就意味着围绕姆潘巴现象长达42年的争论即告停止，这无疑是对黄老师和他3位得意门生的最好回报。

上海市第20届青少年科技创新大赛即将在本月拉开帷幕，凭借这个研究成果在比赛中力拔头筹是黄老师近期的另一个心愿。“我们的目标是要代表上海参加全国比赛，并且能进一步走向世界。目前看来很有希望。”黄老师的信心并非空穴来风，据他介绍，近几年有3篇关于姆潘巴现象的论文获得了上海乃至全国的大奖。“与获得上届全国科创大赛一等奖的文章相比，无论从研究方法、实验数据、最终结论等任何一个方面，我们的论文都要领先一步。”

“参加比赛当然想赢，那也是对自己实力的证明。就算成绩不够理想，我也没有遗憾。因为通过课题的研究，我在动手能力、思维水平、团队精神等多方面都有所提高，这些对我们今后迈向社会都是很有帮助的。”

3位同学还表达了一个共同的心愿：“如果有机会，想和姆潘巴本人取得联系，我们来共同做一次实验。”

“热水先结冰”这一奇特的物理现象是坦桑尼亚一个中学生姆潘巴于1963年偶然发现的，对这一现象全面合理的解释还待进一步探索，现在它已被命名为“姆潘巴问题”列入“物理之谜”。
取两个相同的烧杯，分别盛放等量的35摄氏度沸腾过的温开水和100摄氏度的沸水。清除冰箱冰室底板上的霜，在冰室内选择两处各方面条件都基本相同的位置，分别放置上述两个烧杯。每隔20分钟观察并记录两烧杯内水的表面及水中结冰情况。你会发现，盛温开水的烧杯内水的表面先结冰，形成一“冰盖”，但内部结冰却需花很长时间。而盛沸水的烧杯内水表面的冰层虽经较长时间仍未形成“冰盖”，但冰水界面向液体内部生长出冰晶的速度较快，到水的表面形成“冰盖”时，冰水界面及四周已生长出足够多的冰晶。
将温开水与沸水换成未煮过的冷牛奶和煮沸的牛奶，重复上述实验。发现当热牛奶已经结冰时，冷牛奶还是很稠的液体。
对于“姆潘巴问题”，许多人进行了大量的研究，发现这个似乎很简单的问题，实际要比我们设想的复杂得多，它不但涉及物理上的问题，还涉及到微生物作为结晶中心的生物作用问题。
从物理方面来说，致冷有四种并存的方式：辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察，对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果。
从生物作用方面来说，水要结冰需要结晶中心，水中的微生物往往是“结晶中心”，而某些微生物在热水（水温在100摄氏度以下一点）中繁殖比在冷水中快。
以上仅是一些定性分析，对这一现象作出全面的定量分析和解释，尚待进一步探索。
效应
这不是绝对的，有人试过，按你说的情况是20度的先结冰

其实仔细分析姆潘巴实验过程，可以发现他的实验是不严密的，因此实验结果是不可靠的，讨论一个不可靠的实验结果，我认为无意义
首先，是做冰淇淋、牛奶，这些物质谁都知道成分复杂，他无法保证热的和冷的成分相同，更何况他加了糖，我们知道含糖量不同的水凝固点不同。
其次，当时的技术也有限，无法做到冰箱内温度相同，连温度都不同，结冰速度从何谈起。
上家的写的很清楚，此现象被证伪。
我们也可以这样想，这有一杯热水，温度100度，冷水为结冰前瞬间温度。如果热的比冷的结冰快，那么我们可以得出，热水结冰不需要时间，可笑吗。
另外，值得注意的是热水温度确实比冷水快，但前提是必须是热水，别忘了他会降温。这点可以看温度计（体温计不行）。当温度高时降得非常快，逐渐减速，在接近是温室很长时间才能降0.1度

很久以前，我在中央十台上看过。现象就不再赘述了，好像中国的一批大学生在导师的教导下研究过，最后的结果是这个现象是错的。
打个比方：（前提是同一种物质）有一段路前半段好走后半段难走，温度高的在前半段低的在后半段，当高温的以跟快的速度下降时到达低温时会减慢并且最终比低温的晚结冰。这个现象（指姆潘巴失错的）符合现有的物理和逻辑推理。并且可以用大学的学科知识进行演算。这个现象是想当然的推出来的因为温差越大热量传递速度越快，降温速度越快。当然在加了溶质之后可能会比温度低的纯水早降到零度但会晚节冰。

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