熱水比冷水更快結冰？

在日常生活經驗中，冷水要比熱水更快結冰，這幾乎是司空見慣的常識。但有一些實驗卻發現了恰恰相反的效應：在一些特定的條件下，熱水比冷水更快結冰！

這有可能嗎？

△ 有一些科學家認為，在一些特定的條件下，熱水比冷水更快的結冰。（圖片來源：Studioneosiam）

其實早在兩千多年前，亞里士多德就宣稱觀測到熱水比冷水更快結冰。到了1960年代，在坦尚尼亞的一名叫做姆潘巴（Erasto Mpemba）的學生在製作冰淇淋時發現，熱牛奶經常比冷牛奶先結冰。當他把這個問題帶到學校的時候，遭到了同學和老師無情地嘲笑。

直到1968年，英國物理學家奧斯博恩（Denis Osborne）到訪，姆潘巴立即向教授提問。當然，奧斯博恩並不知道，但也沒有否定姆潘巴。

奧斯博恩回到實驗室后，立刻開展實驗，他發現有時候熱水的結冰速度的確比冷水更快。

△ 姆潘巴（左邊）和奧斯博恩（右邊）。（圖片來源：Ben Gurr）

1969年，奧斯博恩和姆潘巴聯合發表了一篇論文指出【3】，如果有兩份不同溫度的水的樣本，一份90攝氏度，一份25攝氏度，那麼90攝氏度的那份會首先開始結冰。這個效應就被稱為姆潘巴現象（Mpemba effect）。

科學家對該現象提出了一系列的解釋，包括蒸發效應、溫度梯度、對流、溶解氣體和水中的雜質等。但沒有一個解釋是完全被接受的。在2012年的時候，英國皇家化學學會針對這一問題還舉辦了一次有獎競征活動【4】。

最近，針對姆潘巴現象，化學家又提出了一個新的解釋，認為連接水分子之間的化學鍵的性質是關鍵。該論文發表在上個月JCTC期刊上【5】。

來自美國南方衛理公會大學的化學家Dieter Cremer和他的同事認為連接一個水分子中的氫原子和另一個水分子中的氧原子的氫鍵或許可以解釋該現象。他們通過對水分子團進行模擬，研究了氫鍵的強度。Cremer表示：「我們看到當水慢慢加熱時氫鍵會發生改變。」 氫鍵的強度取決於附近水分子的排列。在冷水的模擬中，研究人員同時觀測到弱氫鍵和強氫鍵，但在高溫的模擬中，強氫鍵強佔了較大的比例，因為弱氫鍵會斷裂。

△ 在冷水中，存在著許多靜電的弱氫鍵。在水結冰的過程中，這些弱氫鍵必須發生斷裂（上），然後才能重組成六邊形的冰晶體結構（下），而這一個過程就會消耗更多的時間和能量。（圖片來源：c&en）

Cremer和他的同事意識到它們對氫鍵的新理解或許可以解釋姆潘巴現象。當水被加熱，弱鍵斷裂，水中的分子群會形成小團簇，這使它們更容易失去它們多餘的能量，因此冷卻的更快。小團簇加上強氫鍵使它們更容易排列成冰的晶體結構。而在冷水中，有許多的弱氫鍵，這些弱氫鍵首先必須先斷裂，才能形成適合構成冰晶體的小團簇。這一過程需要更多的能量和時間。

加州理工的化學家William Goddard認為Cremer他們的分析很精彩，但問題是「這是否直接跟姆潘巴現象有關聯？」 儘管研究人員意識到一個效應或許可以導致該現象，但他們並沒有模擬結冰過程，並在考慮到氫鍵的變化時顯示結冰過程的確更快。因此William認為氫鍵的變化還無法最終解釋姆潘巴現象。

氫鍵的新解釋會加入所有嘗試解釋該現象的名單之一，但這取決於你問誰。比如物理學家Jonathan Katz就認為這個這篇論文就是一堆廢話。在姆潘巴實驗中，水會結冰一段時間。Katz認為由於在這段時間內溫度下降，弱氫鍵會重組，分子會重新排列。

同時，研究人員還在激烈的辯論該效應是否是真實存在的。因為在試圖觀測姆潘巴現象的實驗得出了不一致的結果，科學家無法重複得出。比如在2016年11月24日發表的一篇論文中【6】，倫敦帝國理工的科學家測量了冷水和熱水的樣本冷卻到零攝氏度的時間。論文作者之一Henry Burridge說：「不管我們怎麼做，都無法觀測到任何類似姆潘巴現象」。

但是，薩格勒布大學的化學家 Nikola Bregović 在郵件中指出他們的研究「排除了該現象的一個重要方面」。Burridge的研究只觀測了達到水結冰的溫度的時間，而不是結冰自身的開始——這是一個難以控制的複雜過程，也是該效應之所以難以被查證的其中一個原因。Bregović 堅信熱水可以比冷水結冰的更快。

到底存不存在姆潘巴現象？如果存在最終的解釋究竟是什麼？爭辯仍在繼續中。

參考來源：

【1】https://www.sciencenews.org/article/debate-heats-over-claims-hot-water-sometimes-freezes-faster-cold?tgt=nr

【2】http://www.chemistryviews.org/details/ezine/10245331/Why_Warm_Water_Freeze_Faster_Than_Cold_Water.html

【3】Erasto B. Mpemba, Denis G. Osborne, Cool?, Phys. Educ. Inst. Phys. 1969, 4, 172–175. DOI: 10.1088/0031-9120

【4】http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/res00001018/the-mpemba-effect

【5】Y. Tao et al. Different ways of hydrogen bonding in water - why does warm water freeze faster than cold water? Journal of Chemical Theory and Computation. Published online December 6, 2016. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

【6】H. C. Burridge and P. F. Linden. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports. Vol. 6, November 24, 2016, p. 37665. doi:10.1038/srep37665.