在日常生活经验中，冷水要比热水更快结冰，这几乎是司空见惯的常识。但有一些实验却发现了恰恰相反的效应：在一些特定的条件下，热水比冷水更快结冰！
这有可能吗？
△有一些科学家认为，在一些特定的条件下，热水比冷水更快的结冰。（图片来源：Studioneosiam）
其实早在两千多年前，亚里士多德就宣称观测到热水比冷水更快结冰。到了1960年代，在坦桑尼亚的一名叫做姆潘巴（Erasto Mpemba）的学生在制作冰淇淋时发现，热牛奶经常比冷牛奶先结冰。当他把这个问题带到学校的时候，遭到了同学和老师无情地嘲笑。
直到1968年，英国物理学家奥斯博恩（Denis Osborne）到访，姆潘巴立即向教授提问。当然，奥斯博恩并不知道，但也没有否定姆潘巴。
奥斯博恩回到实验室后，立刻开展实验，他发现有时候热水的结冰速度的确比冷水更快。
△姆潘巴（左边）和奥斯博恩（右边）。（图片来源：Ben Gurr）
1969年，奥斯博恩和姆潘巴联合发表了一篇论文指出【3】，如果有两份不同温度的水的样本，一份90摄氏度，一份25摄氏度，那么90摄氏度的那份会首先开始结冰。这个效应就被称为姆潘巴现象（Mpemba effect）。
△姆潘巴现象：热水是如何比冷水更快结冰。（图片来源：dailymail）
科学家对该现象提出了一系列的解释，包括蒸发效应、温度梯度、对流、溶解气体和水中的杂质等。但没有一个解释是完全被接受的。在2012年的时候，英国皇家化学学会针对这一问题还举办了一次有奖竞征活动【4】。
最近，针对姆潘巴现象，化学家又提出了一个新的解释，认为连接水分子之间的化学键的性质是关键。该论文发表在上个月JCTC期刊上【5】。
来自美国南方卫理公会大学的化学家Dieter Cremer和他的同事认为连接一个水分子中的氢原子和另一个水分子中的氧原子的氢键或许可以解释该现象。他们通过对水分子团进行模拟，研究了氢键的强度。Cremer表示：“我们看到当水慢慢加热时氢键会发生改变。” 氢键的强度取决于附近水分子的排列。在冷水的模拟中，研究人员同时观测到弱氢键和强氢键，但在高温的模拟中，强氢键强占了较大的比例，因为弱氢键会断裂。
△在冷水中，存在着许多静电的弱氢键。在水结冰的过程中，这些弱氢键必须发生断裂（上），然后才能重组成六边形的冰晶体结构（下），而这一个过程就会消耗更多的时间和能量。（图片来源：c&en）
Cremer和他的同事意识到它们对氢键的新理解或许可以解释姆潘巴现象。当水被加热，弱键断裂，水中的分子群会形成小团簇，这使它们更容易失去它们多余的能量，因此冷却的更快。小团簇加上强氢键使它们更容易排列成冰的晶体结构。而在冷水中，有许多的弱氢键，这些弱氢键首先必须先断裂，才能形成适合构成冰晶体的小团簇。这一过程需要更多的能量和时间。
加州理工的化学家William Goddard认为Cremer他们的分析很精彩，但问题是“这是否直接跟姆潘巴现象有关联？” 尽管研究人员意识到一个效应或许可以导致该现象，但他们并没有模拟结冰过程，并在考虑到氢键的变化时显示结冰过程的确更快。因此William认为氢键的变化还无法最终解释姆潘巴现象。
氢键的新解释会加入所有尝试解释该现象的名单之一，但这取决于你问谁。比如物理学家Jonathan Katz就认为这个这篇论文就是一堆废话。在姆潘巴实验中，水会结冰一段时间。Katz认为由于在这段时间内温度下降，弱氢键会重组，分子会重新排列。
同时，研究人员还在激烈的辩论该效应是否是真实存在的。因为在试图观测姆潘巴现象的实验得出了不一致的结果，科学家无法重复得出。比如在2016年11月24日发表的一篇论文中【6】，伦敦帝国理工的科学家测量了冷水和热水的样本冷却到零摄氏度的时间。论文作者之一Henry Burridge说：“不管我们怎么做，都无法观测到任何类似姆潘巴现象”。
但是，萨格勒布大学的化学家 Nikola Bregovi? 在邮件中指出他们的研究“排除了该现象的一个重要方面”。Burridge的研究只观测了达到水结冰的温度的时间，而不是结冰自身的开始——这是一个难以控制的复杂过程，也是该效应之所以难以被查证的其中一个原因。Bregovi? 坚信热水可以比冷水结冰的更快。
到底存不存在姆潘巴现象？如果存在最终的解释究竟是什么？争辩仍在继续中。
参考来源：
【1】https://www.sciencenews.org/article/debate-heats-over-claims-hot-water-sometimes-freezes-faster-cold?tgt=nr
【2】https://www.chemistryviews.org/details/ezine/10245331/Why_Warm_Water_Freeze_Faster_Than_Cold_Water.html
【3】Erasto B. Mpemba, Denis G. Osborne, Cool?, Phys. Educ. Inst. Phys. 1969, 4, 172–175. DOI: 10.1088/0031-9120
【4】https://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/res00001018/the-mpemba-effect
【5】Y. Tao et al. Different ways of hydrogen bonding in water - why does warm water freeze faster than cold water? Journal of Chemical Theory and Computation. Published online December 6, 2016. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00735.
【6】H. C. Burridge and P. F. Linden. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports. Vol. 6, November 24, 2016, p. 37665. doi:10.1038/srep37665.
文 / Emily 源 / 原理
