为什么热水在0度以下更容易结冰（为何热水结冰速度更快）

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预热过的液体结冰速度更快。有证据表明，亚里士多德在公元四世纪首先观察到这种现象，后来这种现象又引起了弗朗西斯·培根和笛卡尔等知识分子的好奇心。

1960 年，这一现象开始走向理论的第一步，坦桑尼亚学生 Erasto Mpemba 在烹饪课上观察到，最热的冰淇淋混合物比冷的冰淇淋结冰得更快。接着，他作为 Mkwawa 中学的学生参加一个在 Iringa 举行的物理讲座上提出了关于这个现象背后成因的疑问，却被同班同学和老师嘲笑。然而，来自达累斯萨拉姆大学学院（University College in Dar es Salaam）的讲师 Denis Osborne 博士对这一现象进行了实验并确认了 Mpemba 的观察结果。1969 年，他们俩人发表了一篇文章详细介绍了其发现。

这一奇怪的效应后来成为教育界和科学界的热门话题，但究其成因，人们目前还知之甚少。现在，一组西班牙研究人员正决定探究这个看似反直觉的 Mpemba 效应存在的原因。

这只团队建立了一个框架理论来解释 Mpemba 效应——热水结冰速度比冷水快的神秘物理现象。

图源：Pixabay

“从历史上看，这个效应并没有被人们以严谨的方式加以探究，而仅仅只是作为一种反常现象被提及和教育”，塞维利亚大学（Universidad de Sevilla）理论物理系研究员和文章的作者之一的 Antonio Prados 说，“在我们看来，通过一个系统来学习和了解这一效应很重要，这个系统该具备有能控制最小成分的能力。”

根据研究小组的报告，某些“成分”必须汇集在一起才能在某些特定的系统中发生这一效应。他们研究了粒状流体中的 Mpemba 效应，该物质含有硬质的非弹性球体，却表现为液体。选择这种环境的原因是，团队可以模拟粒子之间的相互作用，并“进行分析计算以了解 Mpemba 效应如何以及何时发生”，马德里卡洛斯三世大学（Universidad Carlos III de Madrid）UC3M 的研究员和作者之一的 Antonio Lasanta 说。

当这些粒子碰撞时他们会释放能量。由于较高的温度意味着在分子水平上会有更多的运动，因此在暖和的液体中，Mpemba 效应将会发生得更快。研究还证实了由同样的相互作用产生的“逆 Mpemba”效应的存在，即最冷的系统会比最热的系统加热得更快。这一逆现象最初在一年前由来自以色列魏兹曼研究所（Weizmann Institute）的 Oren Raz 和芝加哥大学（University of Chicago）的 Zhiyue Lu 所预测。

最容易发生这个效应的情况是，当加热或冷却前，粒子的速度有特定的排列倾向——比如说，在均值附近具有高度分散。这样，如果在冷却之前准备好颗粒的状态，则流体温度的演变会受到显著的影响，他们解释说。

对 Mpemba 效应更好的理解不仅会促进我们对基础科学的理解，而且可能在中长期有实际的应用。例如，如果团队的理论得到证实，它可能研发出使电子设备更快冷却的方式。

但是，到那样一个目标还有一段路要走。正如之前 Raz 和 Lu 的文章一样，与水的更为复杂的行为相比，这个研究因为使用了非常简化的模型而受到一些批评。但总的来说，这些研究结果相互支持，使得这种特殊的相互作用适合于更广泛的 Mpemba 效应机制。

同时，Mpemba 还自己首先观察到牛奶中的这个效应，牛奶相当于有许多大颗粒悬浮在水中。颗粒液体模型也可应用于水的样品中：非纯净水中的大溶质颗粒可能对 Mpemba 的总体效应有贡献。

相关文章已发表于《Physical Review Letters》杂志，题目为 When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids。