世界难题——姆彭巴效应
Mpemba效应(Mpemba effect)也称MPEMBA效应，是指在同体积、同质量、同冷却环境下，温度稍高的液体先于温度稍低的液体结冰的现象。
亚里士多德、培根和笛卡尔都以不同的方式描述了这一现象，但都未能引起广泛关注。1963坦桑尼亚马坎巴中学初三学生姆班巴经常和同学一起做冰淇淋。在烹饪的过程中，他们总是将生牛奶煮沸，加入糖，冷却后倒入冰块中，然后放入冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴在做冰淇淋的时候，冷冻室已经没有多少空间了。为了抢占冰箱的剩余空间，姆潘巴不得不匆忙将牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就将煮沸的牛奶倒入冰块中，送进冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他非常不解的现象:他放进去的热牛奶已经变成了冰，而其他同学放进去的冷牛奶还是很浓的液体。按理说水温越低结冰越快，牛奶含有大量水分。应该是冷牛奶比热牛奶结冰快，但是事实怎么反过来呢？Mpamba把这个疑问从初中带到了高中。他先后咨询了几位物理老师，都没有得到答案。一位老师觉得他问的问题近乎荒谬，于是用讽刺的口吻说:你说的这叫姆彭巴效应！然而，执着的Mpamba并不认为他的问题很可笑。他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯本博士来他们学校参观的机会，提出了自己的问题。医生没有嘲笑他的问题。回到实验室后，医生按照Mpamba的说法做了冷热牛奶和冷热水物理的实验。结果他观察到了Mpamba描述的颠覆常识的奇怪现象。于是他邀请Mpamba和他一起深入研究这一现象。1969年，他和Denis G. Osborne)***博士就此现象写了一篇论文，因此该现象以此命名。
“mpemba效应”真的能颠覆我们之前关于水结冰的常识吗？四十多年来，许多论文和实验都试图证实这一现象背后的原理，但由于缺乏科学的实验数据和定量分析，至今没有定论。
[编辑本段]一个无法解释的现象
最早证实“姆彭巴效应”存在的博士发现，热水体在放入冰箱冷却的初始时刻，上表面和底部没有温差，但一旦急剧冷却，温差立即出现，其中初始温度为70℃的热水中产生的高低温差接近14℃，而初始温度为47℃的热水中产生的高低温差只有65438。这说明在结冰前的冷却过程中，一段时间内热液体的温差大于相对冷的液体。但是为什么温差大的水要先结冰呢？只有一个合理的解释，就是水体上表面温度越高，上表面散发的热量越多，所以温度下降越快，结冰越快。这就是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。
但后来，其他研究者的实验结果与上述大相径庭。有研究人员用纯水反复做类似实验，结果始终没有发现“姆彭巴效应”。一些对此感兴趣的研究人员通过实验证实，只有当冰箱内有明显的温差，或者牛奶的含糖量不同，或者糖没有溶解，或者制作冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，才会出现“姆彭巴效应”。也就是说，“姆彭巴效应”是个体现象，它所包含的物理现象不能否定我们的常识。
[编辑此段]硬东西在作怪
近日，美国华盛顿大学的乔纳森？通过对mpemba效应的深入研究，Katz抓住了隐藏的幽灵。他证实，这种现象不仅是真实的，而且是造成这种现象的鬼魂。然而，鬼只是一些隐藏在水中的普通“硬物”。
在破译mpemba效应的过程中，Katz把目光盯在了水面上。我们知道，当水被加热时，隐藏在水中的一些可溶性硬物质，如碳酸钙、碳酸镜等，会被排出，形成沉淀物。我们日常生活中常见的水壶内壁附着的水垢就是它们被赶出去的证据。达到沸点后，水将因除去大多数硬物而变软。卡茨发现，不加热的硬水的冰点低于加热的软水，是因为里面有坚硬的物体，减缓了硬水的冻结速度。这个原理就像雪后在路面撒盐会防止结冰一样。盐的混合会降低雪的冰点，所以雪结冰的过程会被拉长。
但仅凭这一发现并不能直接解决mpemba效应，因为MP emba的学生在制作冰淇淋的过程中，先将生牛奶煮熟。那为什么Mpamba的热牛奶会先结冰？卡茨发现原因还是水中的硬物:为了吃到美味的冰淇淋，他们都在牛奶中加入了糖，糖实际上使牛奶液体变硬了。但热奶液的硬度其实比冷奶低，导致两者冰点的差异。硬度较高的冷牛奶冰点相对较低。这样，冰点稍高的热牛奶自然比冰点稍低的冷牛奶先结冰。
当然，降低低温水的结冰速度还有一个原因，因为实验证明，水散热的速度取决于温差，也就是说，在同样的低温环境下，温度相对较高的水比温度相对较低的水散热更快。牛奶也是如此。
那么为什么mpemba效应在很多实验中并不是每次都出现呢？卡茨认为，原因是实验者一开始用的是软水。用同样的软水做冷热实验，由于水的冰点相同，散热速度对冻结速度影响不大，所以mpemba效应没有那么明显。
有科学家指出，卡茨的发现可能不是mpemba效应的最终答案，但与现有答案相比，这个答案是最有说服力的。
“硬水理论”的误区；
第一，自然界中能满足人类生活要求的水的硬度不能很高，否则会危害健康。所以，人类使用的硬水即使烧开后，冰点温度也不会明显升高，一般冰箱制冷的情况下，热水也很难先结冰。不然经常会出现热水比冷水先结冰的情况，物理老师也不能说mpemba效应是骗人的。如果“硬水理论”成立，前提是所有完成沸水冷冻实验的研究人员首先选择了硬度极高的水，这对人类是有害的，这显然不符合常识。
其次，理论上，自然界有很多情况可以使水沸腾后冰点上升。比如水或牛奶被微生物污染时，冰点温度会下降，但煮沸后也会上升，等等。
再次，根据水的基本物理特性，mpemba效应的实验也可以用软水来完成，现实中也有很多用软水来完成这个实验的例子。
[编辑本段]摆脱常识的束缚
现在看来，mpemba效应作为结冰的特例，并没有颠覆我们之前的常识，但毕竟对我们的常识提出了激烈的挑战，丰富了我们对水的认识。如果我们被常识束缚，把这种奇怪的现象当成荒谬，那么我们就不会对水在特殊条件下的结冰特性有新的发现。相反，如果我们尊重常识，善于摆脱常识，就会有新的发现。
以水为例，美国研究人员发现水分子可以用来制作水膜，可以起到像蜡一样的防水作用。他们在铀表面铺了一层水膜，发现新溢出的水就像打蜡车上的雨滴一样，很快被水膜赶走。
还有，作为常识，大家都知道水的冰点是0℃。但是一个韩国研究小组发现，水在20℃时也能凝结成冰。这些研究人员在使用扫描隧道显微镜观察电子如何穿过水膜并到达水膜下的电极时，有了这一意外发现。在观察过程中，他们从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振动时被堵塞。出现这种情况的原因是下落的金属尖端下方的水分子瞬间凝固，对尖端形成障碍。后来经过反复实验证实，扫描隧道显微镜的带电金属尖端越靠近水膜下方的电极，它们之间形成的电场越强。当达到2个水分子左右的距离时，在强电场的作用下，水转化为固体形态。
如果研究人员坚持只有冷却才能将水变成固体的常识，他们将很难做出这一重要发现。
另外，过去我们认为水分子的图像是像金字塔一样手牵手的四面体，但科学家最近对水分子的研究表明，它们的图像不是单一的四面体，而是多种多样的。还发现水可以冻结成13典型晶体。
仅仅是普通的水就有这么多奇怪的特性，自然界一定有无数奇怪的现象挑战着我们的常识。
姆彭巴效应的原因:
根据中学物理理论，热水和冷水在质量相同、外界环境温度相同的情况下，不仅温度在变化，而且它们在密封状态下各自的密度、体积、质量和气压都在变化，这就使得初始温度高的水的冷却速度总是比初始温度低的水快。只要外界环境温度持续下降，初始温度高的水最终会有更低的温度。(注:在常压条件下，两者初始温度不低于4摄氏度时成立；当两者的初始温度都不高于4摄氏度时不成立；当其中一个不高于4摄氏度，另一个不低于4摄氏度时，需要讨论它们在密封状态下的初始温度、密度、体积、质量和气压。)讨论Mpamba问题。初始温度为35摄氏度的水和初始温度为100摄氏度的水都高于4摄氏度，所以会产生mpemba效应。
1.冰箱的温度不均匀。如果Mpamba恰好把它的冰盒放在冷却管附近，甚至与冷却管接触，热牛奶完全有可能先于冷牛奶结冰；
2.如果Mpamba不爱吃甜的，他在雪糕里放的糖少了，或者因为匆忙没时间搅拌，糖粒沉在箱底形成固体，实验证明可以先结冰；
3.Mpamba自制的雪糕，不仅在牛奶中加了糖，还加了淀粉类物质，少放糖少放牛奶会先结冰；
4.把它放在冰箱热管附近。
[编辑本段]其他说明:
目前，这一现象已被向明中学中国三名女学生证明只是上述四个因素的巧合。一般情况下，冷水还是先结冰。三个学生寒假的大部分时间都是和黄增新老师一起在实验室度过的。超过100次的实验，最终带来了数万条有价值的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来了更加枯燥的数据分析阶段。虽然有先进的自动化仪器帮助，但是整理、分析、汇总成千上万的数据还是挺麻烦的。暂且不论课题组花了多长时间画出11的分析示意图，我们只需要摘录论文的“数据记录分析”部分，其复杂程度可见一斑:冷热纯牛奶的对比；冷热糖奶的比较；不加糖和淀粉的冷牛奶和热牛奶的比较；含糖和淀粉的冷牛奶和热牛奶的比较:冷热纯水的比较；冷热糖水的对比；冷盐水和热盐水的比较；冷纯净水对比纯牛奶；糖冷热淀粉与无糖冷热淀粉的比较...经过严格分析，结论自然得出:在同等质量、同等外界温度环境条件下，不会出现mpemba效应，热液体不可能先结冰。最近，向明中学将邀请相关专家对这一实验课题进行评估和鉴定。
从去年6月165438+10月开始，在向明中学科技名师黄增新老师的指导下，上海市三名女中学生——向明中学俞顺喜、叶莎莎、上海中学董开始研究mpemba效应。最后四个月得出结论:在均质等量和外界温度环境条件下，热液体不可能先于冷液体冻结，并提出造成误解的三种可能。他们认为，只有当冰箱存在温差，牛奶中的糖分含量不同，或者糖分没有溶解，含有较多淀粉等非液体成分时，才可能发生mpemba效应。(央视V2 2005年7月6日20: 30播出Mpamba)
姆彭巴效应的证明
被称为世界物理难题的Mpemba效应，40多年来一直被物理老师否认，甚至被媒体形容为谎言。但是根据中学物理的理论可以发现，Mpamba问题只是一个中学生知识的综合问题，每个中学生都能掌握证明的方法。
证明:假设热水能先于冷水结冰，必要条件要么是热水的冰点高于冷水，要么是热水的冷却速度快于冷水。因为在常压下，纯热水的冰点与冷水的冰点相同，所以要证明mpemba效应，必须证明热水的冷却速度比冷水快。
根据物理学的基本理论，热水的蒸发强度大于冷水，密度小于冷水。如果你拿两个相同的未密封的容器，放入等量的水，一个是热水，一个是冷水，同时把它们放在相同的外部环境温度下。在冷却的过程中，热水由于蒸发损失的水分比冷水多，所以初始温度高的水最终质量必然小于初始温度低的水，热水的冷却速度必然总是比冷水快。
如果你拿两个完全相同的密封容器，放入等量的水，一个是热水，一个是冷水，同时把它们放在相同的外界环境温度下。在冷却的过程中，热水密度的增加和体积的减少所形成的容器内的气压必然低于冷水。热水的沸点温度比冷水低，对流强度比冷水大。热水在单位时间内损失的热量总是比冷水多，所以热水的冷却速度总是比冷水快。同时，根据水的三相图理论，当水的气压降低时，冰点温度升高。初始温度高的沸水的冰点比冷水的冰点高，是因为它受到的气压比初始温度低的冷水低。
因为在相同质量、相同外界环境温度的情况下，热水的冷却速度总是比冷水快，所以当外界环境温度处于持续冷却状态时，热水的温度会低于冷水的温度；当外界环境温度在特定时间或温度范围内处于冷却状态时，热水的温度会等于或高于冷水的温度。因此，在量和外界环境温度均质的情况下，热水的温度会低于冷水的温度是一种普遍现象，而在特定的外界环境温度条件下，冷水比热水先结冰是一种特殊现象。如果我们选择同样质量和数量的纯净水，一个是4摄氏度的冷水，一个是100摄氏度的开水，在同样的使两者冷却速度非常慢的外界环境温度条件下做实验，那么没有人能使4摄氏度的冷水先于100摄氏度的热水结冰。可以通过实验证明mpemba效应符合物理学的基本理论，人们否定mpemba效应主要是因为自身在观察客观事物或冷冻实验过程中的不足。以上海三名高中生的实验为例:他们在黄增新老师的指导下，只做了快速冷冻条件下的实验，没有观察到缓慢降温条件下的冷冻结果，所以他们的实验不能成为否定mpemba效应的理由。
Mpemba效应作为一个客观事实，几十年来一直受到世界物理学界的怀疑和争议，近年来国内也出现了否定的声音。其实完成这个证明很简单:将等量的初始温度为100摄氏度的开水和初始温度为35摄氏度的冷水同时放入冰柜。如果冷冻室的温度条件造成水的快速冷却，我们经常看到初始温度低的水先结冰，但这只是片面的现象。只要切断冰箱的电源，冰柜里的温度就会升高。当冻结的开水和冷水完全溶解后，再进行冻结实验，结果只能是原来的开水先冻结。如果重复这个实验过程，所有的结果都是一样的。所以在急速冷却的状态下，冷水是可以出现的，而且只结冰一次。
如果冰箱冷冻室的温度条件对水形成缓慢冷却状态，我们看到的是初始温度高的开水先结冰。如果此时提高冰柜内的温度，沸水和冷水完全溶解后再冷却再次冻结，那么无论冰柜内的温度条件如何，原来的沸水都会先冻结。像这样反复操作，只能让原来的开水先结冰。所以冷水不可能在缓冷状态下先结冰。姆平巴效应使我们对水的特性有了更多的了解，姆平巴效应的经历表明了科学和认真的态度在认识和掌握自然中的重要性。
附:先完成冷冻开水实验的操作要点。
四十多年来，世界上很少有人先完成沸水结冰的实验，因为实验方法不科学。从理论上讲，36℃的水在量均质、外界环境温度相同的情况下，可以先于35℃的水结冰，但如果两者温度接近，蒸发强度和密度相差不大，很难用实验方法表现出热水在冷却速度上的优势。根据物理学的基本理论，100℃是水在常压下的沸点，4℃时水的密度最大。为了更清晰地完成热水先结冰实验，可以根据Mpamba问题给出已知条件，选择热水和冷水尽可能接近100℃，合理的外环境实验初始温度，减缓外环境温度的下降速度。不密封的容器蒸发面积大，密封的容器密封性高。要特别注意沸水的提取方法:沸水一旦离开加热源，温度和蒸发强度下降很快，需要快速准确地提取定量的沸水，然后根据均匀性和数量的要求提取冷水。
先用未密封容器完成沸水结冰实验的操作方法:(供参考)
1，将冰柜中实验的初始温度控制在4摄氏度，取两个相同的盘子，放入等量的水，一个是4摄氏度的冷水，一个是100摄氏度附近的热水，同时放入冰柜中。控制冷冻室的温度下降速率，使其每小时下降65438±0摄氏度(或每两小时下降65438±0摄氏度)，记录冷冻后热水和冷水的最终质量。
2.冬季，实验通过自然冷却完成。当中午室外温度不低于4摄氏度，夜间最低温度为-2~3摄氏度时，可以选择中午取两个相同的盘子，放入等量的水，一个是接近100摄氏度的热水，一个是室外温度相同的冷水。将它们同时放在同一室外位置，记录热水和冷水完全冻结的时间及其最终质量。
3.根据上海三名高中生的实验方法，记录了热水和冷水冷冻后的最终质量。根据热水最终质量小于冷水的事实，证明了热水能先于冷水结冰是因为它的冷却速度总是比冷水快。
用密封容器做实验时，请参照第1号和第2号非密封容器实验方法。
另外，也有人认为亚里士多德原文中对这种现象的描述是这样的:“之前被加热过的水会帮助它更快地结冰”，而大多数人很可能误解了这句话的本意，即“相同温度下之前过热的水和之前未加热的水的比较”，而不是“热水和冷水的比较”。所以按照第二种理解，也就是上面讨论的，mpemba效应不成立；在第一种理解下，mpemba效应是可能成立的。