热水和冷水一起放进冰箱，为什么热水能先结冰？

炎热的夏天，如果你急着用冰，你会选择放冷水还是热水在冰箱里常识告诉我们当然要用冷水因为冷水的温度更低，会结冰更快可是，几十年前，一个少年发现，在冰箱里，热水比冷水先结冰这不仅颠覆了人们的认知，也引起了学术界长达半个世纪的争论

热水可能比冷水结冰更快，这种广为流传的说法背后有一个有趣的故事1963年，还在读中学的坦桑尼亚少年Erasto Mpamba和同学一起制作冰淇淋为了抢占有限的冰箱空间，Mpamba没有像其他同学一样等牛奶冷却到室温，而是直接把刚煮好的热牛奶放进冰箱一个半小时后，他发现自己的热牛奶已经冻成了冰淇淋，而和热牛奶一起放在冰箱里的冷牛奶还处于浓稠的奶糊状态热牛奶怎么会比冷牛奶冻得快姆潘巴非常困惑，于是他问了他的中学物理老师，但被告知:你一定是弄错了，那不可能发生

带着这个疑问，Mpamba一直等到物理学家丹尼斯·奥斯本来到Mpamba的高中旁听物理课程奥斯本一直记得那个少年举手问道:如果你拿两个烧杯，分别盛等量的水，但一杯水是35℃，另一杯水是100℃，然后把两杯水一起放进冰箱，你会发现100℃的那杯水先结冰为什么奥斯本乍一看并不相信，但出于好奇，他做了一个实验随后奥斯本邀请姆潘巴在坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学研究这一现象，并将其命名为姆潘巴效应

而Mpamba Osborn于1969年在《体育》杂志上发表了一篇文章，首次展示了Mpamba效应可是奇怪的是，他们无法在后续实验中稳定地重复最初的实验结果这引起了巨大的争议:实验失败是否意味着Mpamba效应不存在还是因为实验太粗糙，没有考虑未知变量的影响其实冷冻实验是很微妙的，任何一个微小的细节都有可能影响冷冻过程

不平衡系统

在过去的几十年里，科学家们提出了许多理论来解释Mpamba效应有人认为热水比冷水蒸发快，体积会比冷水小，所以能结冰更快，也有人认为冷水中溶解了更多的气体，所以冰点更低，还有人认为是外界因素在起作用:杯壁会在冰箱里凝结一层霜，可以阻止热量从冷水中逸出但热水会不断融化这层霜，放出热量，更快降温结冰

但是，所有这些解释都有一个前提Mpamba效应真的存在，热水确实比冷水结冰快但并不是所有人都认同这个前提

2016年，英国伦敦帝国理工学院的物理学家亨利·伯里奇和剑桥大学的数学家保罗·林登测试了Mpamba效应由于无法直接观察冻结过程，伯里奇和林登测量了水温从初始温度降至0℃所需的时间他们惊讶地发现，这个结果取决于温度计放在水中的什么位置:如果温度计放在相同的深度，冷热水之间就不会出现Mpamba效应，可是，如果温度计放在1厘米的深度，它可能会错误地确认Mpamba效应

Burridge Linden的结果显示了冷冻实验的高灵敏度虽然无法确定Mpamba效应是否存在，但它揭示了这种效应如此不稳定的关键原因:一杯水在快速冷却的过程中是一个不稳定的非平衡系统

相比之下，常温下的水是处于热平衡的体系，可以用温度，体积，分子数三个参数来描述如果你把这杯水放在冰箱里，你可以想象玻璃墙外侧附近的水分子是冷的，但玻璃内侧的水分子保持温暖此时，杯中的液体已经不能用温度，压力等参数来清晰描述了，因为所有的参数都在不断变化，它变成了一个不稳定的非平衡系统一直以来，物理学家对非平衡系统知之甚少

奇怪的捷径

北卡罗来纳大学化学系助理教授陆志岳年轻时读到Mpamba效应时感到好奇研究生阶段，学习非平衡态热力学后，他开始设计实验验证Mpamba效应后来，鲁遇到了在以色列魏茨曼科学研究所研究非平衡统计物理的柳文欢·拉兹他们一起设计了一个理论框架来研究Mpamba效应

2017年，卢和拉兹在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇文章通过随机粒子动力学模拟，他们发现在某些特定条件下，Mpamba效应和逆Mpamba效应都可能发生结果表明，较热系统中的粒子具有更多的能量，因此可以尝试更多的温度变化路径，其中包括一条捷径:在冷却过程中，热系统可以通过捷径超越冷系统，更快地达到最终状态

我们都理所当然地认为温度变化是线性的——要么上升，要么下降，拉兹说系统总是从高温到中温，然后再到低温但是用温度来描述非平衡系统是一种谬误这样一来，出现‘奇怪的捷径’就不足为奇了

2019年，美国弗吉尼亚大学统计物理学家Marija Vucelja和Raz提出了理论预测:Mpamba效应可能发生在大多数无序材料中，比如玻璃理论预测的范围很广，包括各种材料但是，水不是无序物质，超出了这个理论的解释范围

能源景观的风景

他们把能量景观放入水中，玻璃珠可以摆脱重力，自由移动然后，他们将玻璃珠放置在能量景观的不同位置，重复实验1000次，统计1000次的观测结果这样，一千个单粒子的系统就相当于一个包含一千个粒子的系统

研究人员将玻璃珠放置在能源景观的任何地方，以模拟最初的热系统因为热系统包含了更多的能量，所以粒子可以更积极地在能量景观中四处游荡和探索在模拟冷系统时，需要将玻璃珠的初始位置限制在深谷附近的区域在模拟冷却过程时，玻璃珠会先沉入其中一个山谷，然后在水分子的扰动下在两个山谷间来回跳跃当玻璃珠在各谷停留时间的比例稳定时，可以判断其已经完成冷却过程根据玻璃珠所处环境的水温和能量景观的不同，判断降温是否完成的标准也不同例如，通过20%的时间进入亚稳态，80%的时间进入稳定态，可以判断颗粒已经完成冷却

在某些初始条件下，热系统比冷系统冷却得更慢，这符合我们的直觉但有时，热力系统中的粒子会更快地沉入山谷当适当调整实验参数时，热系统中的粒子几乎立即达到所需的冷却完成状态，比冷系统快得多——Raz和Vucelja早已预言了这一现象，并将其命名为Jumpampa效应2020年，他们在《自然》杂志上发表了这一成果今年年初，他们在《美国国家科学院院刊》上发表了一项关于逆pampa效应的实验研究

结果非常清楚，西班牙格拉纳达大学的劳尔·里卡·阿拉尔孔说，他正在做与姆潘巴效应有关的实验这些研究都表明，离目标状态越远的系统越快达到目标状态是有可能的

待定水

Shikhov的实验提供了一个解释——亚稳态系统中可能出现Mpamba效应但这是唯一的解释吗其他物质如何经历非平衡加热和冷却过程，会有Mpamba效应吗这些问题至今仍未解决甚至水中是否存在Mpamba效应也是一个悬而未决的问题

了解系统从非平衡态弛豫到平衡态的过程是一个非常重要的课题但坦率地说，到目前为止我们还没有一个好的理论体系拉兹说判断哪些系统，如Mpamba效应，可能以反直觉的方式运行将有助于我们更好地理解系统的弛豫过程

参考文章:

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