热水有时结冰速度快于冷水的物理学

据说，1963年，坦桑尼亚高中生埃拉斯托·姆彭巴(Erasto Mpemba)和他的同学一起做冰淇淋时，他不耐烦地在冰淇淋搅拌器里放入糖和牛奶的混合物，而不是先让它冷却。令他惊讶的是，糖果的冷却速度比他同学的要快。

在一位物理学教授的帮助下，姆彭巴进行了额外的实验，将两杯水，一杯刚刚煮熟，一杯温水，放入冰箱，看看哪一杯最先到达冰冻的终点线。通常，起始温度较高的水最先结冰。他们的观察引发了一场长达数十年的关于反直觉现象的存在和细节的讨论，现在被称为姆彭巴效应(Mpemba Effect)。

现在，8月5日发表在“自然”杂志上的一项新研究不仅表明姆彭巴效应确实存在，而且揭示了它是如何发生的，艾米丽·科诺弗为“科学新闻”报道。

西蒙·弗雷泽大学(Simon Fraser University)的物理学家阿维纳什·库马尔(Avinash Kumar)和约翰·贝赫霍费尔(John Bechhofer)没有进行冻结水的实验(这项研究令人惊讶地复杂)，而是将目光和激光聚焦在微观玻璃珠上。他们测量了玻璃珠在非常特殊的条件下在水中的运动情况，发现在某些情况下，开始非常热的珠子比那些没有热的珠子冷却得更快。

“这是其中一种非常简单的设置，而且已经足够丰富，足以显示出这种效果。”弗吉尼亚大学的理论物理学家Marija Vucelja告诉科学新闻。实验还表明，这种影响可能出现在水和玻璃珠子以外的材料上。Vucelja说，“我可以想象，这种效应在其他地方的自然界中是相当普遍的，只是我们没有注意到而已。”

如果冰点是终点，那么初始温度就像起点。因此，如果较低的初始温度，离终点线的距离较短，总是第一个到达终点线，这是有意义的。由于Mpemba效应，有时较热的水会先到达终点线。

但事情变得更复杂了。首先，水通常含有其他物质，比如矿物质。物理学家们对终点线到底是什么存在分歧：容器中的水是达到冰点温度，开始凝固，还是完全凝固？安娜·戴明(Anna Demming)在“物理世界”杂志上撰文称，这些细节使得直接研究这一现象变得困难。

新的实验去掉了使姆彭巴效应如此模糊的细节。在每项测试中，他们将一颗微小的玻璃珠放入一口小水井中。据“科学新闻”报道，在那里，他们使用激光对珠子施加可控力，并测量了珠子的温度。他们重复了1000多次测试，将珠子放入不同的井中，并在不同的温度下开始测试。

在一定的激光作用力下，最热的珠子比温度较低的珠子冷却得更快。研究表明，从较高温度到冰点的较长路径可能会创造捷径，这样热珠的温度就可以在较冷的珠子之前到达终点线。

Bechhoefer将实验系统描述为一种“抽象的”和“几乎是几何的”方式来描绘Mpemba效应对物理世界的影响。但使用该系统，他和库马尔确定了Mpemba冷却效果的最佳“初始温度”。

Bechhoefer告诉“物理世界”：“这在某种程度上表明，水和冰的所有特性--所有使原始效应如此难以研究的东西--在某种程度上可能是外围的。”