“姆潘巴现象”真的存在么？

最佳答案 - 由提问者2007-02-09 13:01:20选出

怪异的“姆潘巴现象”

热水结冰更快？

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？

姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究，并共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以姆潘巴的名字命名。

“姆潘巴现象”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗？

难以解释的现象

最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现，当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻，热水水体的上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的热水内产生的高低温度差接近14℃，而初温为47℃的热水内产生的高低温度差只有10℃。这说明在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢？这只能有一种解释比较合理，那就是水体上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快，冻结也就愈快。这便是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。

但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验，结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实，只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，“姆潘巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象，其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。

硬物作怪

最近 , 美国华盛顿大学的乔纳森•卡茨通过对 " 姆潘巴现象 "的深人研究 , 捉到了隐藏其中的 " 鬼怪 " 。他证实 , 这种现象不但 真实存在 , 而且造成这种现象发 生的 " 鬼怪 " 也是真实存在的。 不过 , 这其中的 " 鬼怪 " 只是隐 藏在水里面的一些寻常 " 硬物 " 。

在破解 " 姆潘巴现象 " 的过 程中 , 卡茨把目光盯在了水上。 我们知道 , 水在加热过程中 , 一 些隐藏在水里的易榕 " 硬物 "——碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会 被 " 驱逐 " 出去 , 形成沉淀物。 我们日常生活中常见的附在水壶 内壁上的水垢 , 就是它们被 " 驱 逐 " 出去的证据。而水在达到沸 点以后 , 就会因 " 硬物 " 被绝大 部分清除而软化。卡茨发现 , 同 样是冷冻结冰 , 未经加热的硬水 在结冰过程中 , 由于其内部 " 硬 物 " 作祟 , 使得硬水的冰点要比 被加热后的软水冰点低一些 , 这 就减缓了硬水结冰的速度。这一 原理就如同下雪后向路面撒盐会 防止结冰一样 , 盐的混人 , 会使 雪的冰点降低 , 这样 , 雪结冰的 过程就拉长了。

但仅凭这个发现还不能直接 破解 " 姆潘巴现象 ", 因为姆潘 巴的同学们在做冰棋淋的过程 中 , 都先把生牛奶煮熟了。那为 什么姆潘巴的热牛奶会先冻结 呢 ? 卡茨发现 , 原因还是出在水 里的 " 硬物 " 上 : 为了吃到可口的冰漠淋 , 他们都在牛奶里加了 糖 , 而糖实际上会使牛奶液体变 " 硬 " 。但同样是煮熟、加糖的牛 奶 , 热牛奶液体的硬度实际要比 冷牛奶的硬度要低一点 , 这个硬 度的差异造成了它们冰点的差 异 , 硬度较高的冷牛奶冰点相对 要低些。这样 , 冰点略高的热牛 奶自然要比冰点略低的冷牛奶要 先结冰了。

当然 , 还有另外一个原因能 够降低低温水的结冰速度 , 因为 实验证明 , 热量从水中流失的速 度取决于温差 , 就是说在同样的 低温环境里 , 温度相对较高的水 比温度相对较低的水散热速度要 快一些。换成牛奶 , 道理也是一 样。

那么为什么在众多实验中 , " 姆潘巴现象 " 不会每次都出现 ? 卡茨认为 , 原因就在于试验者一 开始用的就是软水。用同样的软 水来做冷热实验 , 由于水的冰点 都一样 , 而且散热速度的快慢对 结冰速度的影响很微弱 , 所以 " 姆潘巴现象 " 就不那么显而易 见了。

有科学家指出 , 卡茨的发现 很可能不是 " 姆潘巴现象 " 的终 极答案 , 但和目前现有的各种答 案相比 , 这个答案还是最有说服 力的。

摆脱常识束缚

现在看来 ," 姆潘巴现象 " 作为一个 " 结冰特例 " 并没有颠 覆我们以往的有关常识 , 但它毕 竟对我们的常识进行了一次激烈 挑战 , 丰富了我们对水的认识。 如果我们被常识束缚 , 硬把这个 怪异现象当做荒唐现象来看待 , 那么我们就不会对水在特殊条件下的结冰特点有新发现。相反 , 如果我们在尊重常识的同时 , 还 善于摆脱常识的柬缚 , 我们才会 有新发现。

还是以水为例 , 美国研究人 员发现 , 用水分子可以做成 " 水膜 ", 这种 " 水膜 " 像蜡那样能 起到防水作用。他们在铀的表面 铺上一层 " 水膜 ", 结果发现新 泼上去的水就像雨点在打蜡的汽 车上的表现一样 , 很快被 " 水 膜 " 赶走了。

还有 , 作为常识 , 人们都知 道 , 水的冰点是0 ℃。但韩国一 个科研小组发现 , 水在 20 ℃时也 可以凝结成冰。这些研究人员在 使用扫描隧道显微镜观察电子如 何穿过一层水膜 , 到达水膜下的 电极的过程中 , 获得了这个意外 发现。在观察过程中 , 他们通过 检测仪器显示的异常数据得知 , 扫描隧道显微镜的带电金属尖端 在水膜中上下震动时遭到阻碍。 之所以会这样 , 原因是下降中的 金属尖端下方的水分子瞬间凝 固 , 形成了对尖端的阻碍。后来 经过反复实验证实 , 随着扫描隧 道显微镜的带电金属尖端不断下 降 , 它与水膜下面电极的距离也 就越近 , 而两者越近 , 两者之间 形成的电场就越强。、当达到大概 2 个水分子距离的时候 , 在强电 场作用下 , 水转化为固体形态。

如果研究人员固守 " 只有降温才 能把水变成固体 " 的常识 , 他们 就很难获得这个重大发现。

此外 , 以往我们认为水分子 形象是互相手拉手像金字塔那样 的四面体 , 而科学家最近对水分 子的研究表明 , 它们的形象并非 是单一的四面体 , 而是多种多样 的。研究还发现 , 水还能冻结成 13 种典型的结晶体。

仅仅是司空见惯的水 , 就有 如此多怪异的特性 , 自然界中一 定有无数的怪异现象 , 挑战着我们的常识