姆潘巴现象 - johanzumimvon/6 GitHub Wiki

姆潘巴现象, 亦名ㇺペㇺバ现象, エラㇲトㇺペㇺバ, 是指有的时候, 热水结冰的速度比寒水还要快的现象.

所谓姆潘巴现象（Mpemba effect，ㇺペㇺバ现象）的多种表述：

指在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（アリㇲトテレーㇲ, Αριστοτέλης, Aristotélēs:

先前被加热过的水，有助于它更快地结冰.

可被理解为先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较，加热过的水更快结冰.

アリㇲトテレーㇲ, 弗兰西斯·培根(ㇷラㇴシㇲ·ベーコㇴ, Francis Bacon), 笛卡尔(匚カㇻㇳ)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（注意亚里士多德的描述与上述大不相同）。1963年，坦尚尼亚（タㇴﾁｬニア, 坦桑尼亚）的一位中学生エラㇲトㇺペㇺバ(erasto mpemba, 姆潘巴，由于译名多且混乱，使用片假名音译)在制作冰淇淋时，发现热牛奶经常比冷牛奶先结冰。1969年，他和 匚ニㇲ·オㇲボーㇴ博士（Denis G. Osborne）就此现象共同撰写了一篇论文，因此该现象便以其名字命名。

也有人说アリㇲトテレーㇲ描述的可能不是ㇺペㇺバ现象。书中的原话是：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”指的是被加热过的（warmed）水，而非热水或温水（warm water）。

不管怎么说所谓“ㇺペㇺバ现象”并没有给出准确定义：并未给出热水是几度，冷水是几度，容器的形状，水的纯度。甚至连结冰的定义都不明确：出现了可见的冰块还是出现第一粒晶种？ 实际的实验的结果是：热水有的时候结冰比冷水快，大部分时间还是冷水快。因为实际结晶动力学的复杂性，和过冷过程的不确定性，冷水过冷没结冰热水没过冷直接结冰了的情况也是会发生的。

卢至悦与美国马里兰大学（University of Maryland, マリーラㇴドユニヲーシ丌）化学与生物化学博士后研究员奥伦‧拉兹（Oren Raz, オレㇴ·ラㇳ）2017 年共同发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS USA）的研究，预测ㇺペㇺバ现象的冷凝“捷径”有可能存在。

为探究アリㇲトテレーㇲ的理论和超过半世纪的ㇺペㇺバ现象争议，加拿大西门菲莎大学（Simon Fraser University, シモㇴㇷレソーユニヲーシ丌）物理学博士候选人艾比纳许‧库玛（Avinash Kumar, アヰナㇲ゚·クマー），和他的指导教授约翰‧贝契霍佛（John Bechhoefer, ヨㇴ·ベﾁｮエﾌｵー），两人利用一个装满水的大烧杯打造“热熄”胶体系统（colloidal system）作为提供稳定温度热来源的“热库”（heat bath）。 库玛在实验中，利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子，并根据机率分布（probability distribution），从不同方向让玻璃珠落入烧杯中数千次，每当玻璃珠坠落，研究人员便会利用光镊（optical tweezers）进行虚拟势能（virtual potential）侧写，改变机率分布和该系统的温度。 随着变因不同，研究人员观察到热水在特定情况下比冷水较快凝结的情况，在其中一次观察中，热玻璃珠在 2 毫秒的时间凝结，比冷玻璃珠还快上 10 倍，库玛与贝契霍佛的研究结果 8 月 5 日发表于《自然》（Nature）期刊。

目前任职于以色列(イㇲラエㇾ)魏茨曼科学研究学院（Weizmann Institute of Science, ヱㇳマㇴ科学院）的拉兹表示，“很高兴看到姆潘巴现象真的行得通”，但他谨慎地说，“我们不知道这是否为水的特性。”

试验论证

据科学网2010年报道，纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇撰文，认为这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关。布朗里奇认为，杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素。过去10年时间里，他利用空闲时间进行了数百次有关ㇺペㇺバ现象的实验，最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据。布朗里奇说“水几乎从不在温度降到零度时冻结，通常是在更低温度下才开始冻结，也就是所说的过度冷却现象。冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质。通常情况下，水可能含有几种类型杂质，其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌，每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关。核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度。” 结晶动力学和杂质和晶种都有关系。用非常纯净的水（多次蒸馏并且过了非常细的半透膜去除杂质颗粒，或者直接使用MilliQ Water）并且容器干净没有大划痕的话水可以过冷并且不结冰。目前没有报道有人以严格的条件重复此实验。

热传导不能解释所谓“ㇺペㇺバ现象”。热水降温当然快，但需要降低的温度也更多。本身热水需要一段时间才能达到冷水的温度，才能到达冷水的“起跑线”。原命题对降温速度和周围温差都未有定义，甚至很难构成一个完整的科学结论。一般来说，结晶速度未必是越低越快。过冷提供热力学动力，同时需要一定温度来提供动力学的晶钟burst（从液态到若干纳米的晶种是有活化能的）。该问题已在各种物质的Time-temperature-transformation diagrams有详细研究。

2012年，一个叫英国皇家化学学会举办比赛，尝试解释ㇺペㇺバ现象。颁奖典礼上问题发起者也提到了该实验的重复性问题。获奖选手Bregovic（ブレゴヰㇰ）的解释是，有时候热水比冷水先结冰的原因是这些情况下冷水放冰箱更趋近于过冷，热水趋近于结冰。而且因为对流的原因热水其实冷的也挺快的。

2013年新加坡南洋理工大学宣称，氢键（hydrogen bonds）在水温高时较长，以延展储蓄能量；遭遇低温时迅速缩短，释出能量冷却，造成ㇺペㇺバ现象。但此文章是直接拿DFT计算出来的结果，并没有直接的实验证据。并且DFT是相当粗糙的计算方法。