熱水為何結凍快？

熱水比冷水結冰的速度更快？這個事實聽上去與我們所了解的物理定律似乎正相反。一般來說，不同溫度、同等質量的物質，其溫度要降低到一個更低的點顯然高溫者需要釋放更多的熱量。在同等環境下，通常物質釋放熱量的速度是均勻的，然而神奇的水卻展現了與其他物質所不同的一面——熱水在冰箱這個寒冷環境下釋放熱量的速度會比冷水更快，從而導致熱水“更容易”結冰。

這一現象被稱為“姆佩巴效應”或“姆潘巴現象”，是根據一位坦桑尼亞的名叫姆佩巴的學生命名的。1963年，當姆佩巴還是個初三學生時，他在與同學們一起制作冰激凌時發現，他自己用熱牛奶制作的冰激凌比他同學用冷牛奶制作的冰激凌結冰的速度更快。他對此疑惑不解，然而問遍了周圍的人都得不到解釋，卻反而遭到了嘲笑。他并沒有死心，并將這個問題帶到了他的高中時代。一次偶然的機會，學校請來了達累斯薩拉姆大學的物理學教授丹尼斯.奧斯博恩（Denis G. Osborne）博士來做物理學的演講，姆佩巴抓住了這次機會向奧斯博恩提出了這個問題。博士回到實驗室成功地重復了這個現象，但也不知道其原因，于是他們決定共同來研究這個問題的答案。1969年，姆佩巴和奧斯博恩博士共同發表了關于這個現象的論文，論文被廣為流傳，成為全世界科學愛好者們共同的謎題，而這一現象也因此被命名為“姆佩巴效應”。

事實上，姆佩巴并不是發現這個現象的第一人。歷史上，早至古希臘的亞里士多德，后至文藝復興時期的培根及被稱為“近代科學始祖”的笛卡爾都曾發現過這個現象。亞里士多德曾經寫到：“之前被加熱的水凍結速度更快。因此，在希望快速冷卻熱水的時候，很多人會首先將它放在陽光下加熱。”培根則在1620年寫道：“與溫度極低的水相比，溫度稍高的水更容易凍結。”而笛卡爾在1637年指出：“經驗告訴我們，在火上長時間加熱的水凍結速度超過其他水。” 然而限于過去的時代局限性和實驗水平，這一現象并沒有被細致的研究過。而姆佩巴效應也并沒能以這幾位偉人來命名。

一直以來，關于水的這個特殊現象仍然是個謎，難倒了無數物理學家。目前有很多對姆佩巴現象進行解釋的假設。有一種理論認為，熱水由于蒸發較多導致需結凍的液態水變少，從而使結凍速度更快；另一種理論認為，熱水中溶解的氣體被加速釋放，導致了水變得更粘稠，從而容易結凍。這些假設雖然聽上去有些道理，但大多都存在一些致命之處，都沒能很好的解答姆佩巴效應的原理。

于是有的人甚至認為，姆佩巴效應是根本不存在的，導致這個結果產生的原因不過是由于科學實驗過程的不嚴謹。然而這是不正確的，盡管有很多因不嚴謹而導致失敗的實驗存在，例如有人用99°C的水和1°C的水來做實驗試圖證明冷水結冰就是比熱水快，但來自科學家們的實驗過程卻是嚴密而可控的。盡管在不同條件下熱水不是每次都比冷水結冰塊，但只要實驗條件和溫度合適，姆佩巴效應的確存在。

英國王家化學學會2012年曾經對姆佩巴效應的解答提供了1000英鎊的懸賞，希望能借此激發青年人對科學的愛好和追求。在這一過程中，他們收到了近22000份解答，最后獲得了“最佳解答”及獎金的，是克羅地亞薩格勒布大學一位名叫尼古拉?布雷高維克（Nikola Bregovic）的的化學助理研究員。他在實驗室里用裝滿水的燒杯進行了實驗，他的解答認為，水中的對流效應導致了姆佩巴效應的產生，熱水中的對流更快，從而導致了其冷卻速度比冷水更快。

盡管布雷高維克獲得了英國王家化學學會的懸賞獎金，但這并不意味著姆佩巴效應已經得到了圓滿的解答。不久前，新加坡南洋理工大學的孫長慶博士與張熙博士組織了物理學家團隊來研究姆佩巴效應，他們嘗試從分子水平的角度檢驗姆佩巴效應的過程。研究的結論是，水分子中共價鍵的作用，是導致姆佩巴效應產生的原因。

單個水分子中氫原子與氧原子之間共用電子對，其中產生的化學鍵被稱為“共價鍵”。它比不同水分子之間的“氫鍵”的作用力更強。科學家們發現，液態水在加熱的狀況下，其共價鍵更短，即氫原子與氧原子間的距離更近，這同時也意味著單個水分子具有更多的能量。水分子之間由于有氫鍵的存在，使得相鄰水分子之間的距離更近，而這反過來增加了單個水分子中氧原子與氫原子的斥力，使共價鍵被“拉長”。在熱水中，氫鍵變得比冷水中更長，水分子之間的距離被拉大，這也會使得共價鍵變得更短。

當液態水被放進冰箱后，水分子中的共價鍵被漸漸“拉長”，而這導致水中的能量被釋放出來。科學家們發現，共價鍵中能量釋放的速度是呈指數形式變化的，也就是說，隨著時間的增加，釋放能量的速度會不斷加快。冷水和熱水由于初始狀態不同，經過一段相同長度的時間后，熱水放出能量的速度會遠超冷水，并且繼續以更快的“加速度”放熱。當實驗條件和參與對照的水溫都剛好合適時，放進冰箱的熱水恰好在到達0°C冰點之前超越了冷水，則就會出現姆佩巴效應。這一結果也很好的解釋了，兩杯處于同樣環境、具有同樣質量和同樣溫度的看起來都很“穩定”的水，其內部狀況卻有可能是完全不同的——這想想也很不可思議！

新加坡南洋理工大學的團隊根據他們的研究成果，在Nature旗下的期刊《科學報告》發表了一篇論文，展示了水分子在結冰過程中的變化。同時，他們還在《化學物理》雜志上發表了另一篇論文用來解釋姆佩巴效應。

至此，姆佩巴效應也許已經離正確和完備的解答更加接近了，但故事還沒有結束，對于神奇的水分子，還有更多的謎團等待我們去發掘。