打算写写这个话题的原因是我在这篇回答中提了一嘴姆潘巴效应，因为主题限制没有仔细解释，引起不少人的兴趣，遂单开一篇给大家捋捋姆潘巴效应的历史和相关研究成果。

第一眼看到这个问题的时候我想的是“这种问题搜索一下肯定就知道答案了嘛”，结果我看了一下目前排名第一的[小红猪]一个实验物理化学家眼中的姆潘巴效应，以及什么情况下冷水比热水升温快？| Physics World专栏基本都是基于单一实验讲述结论，并没有相对综合且客观的文献总结。

下面请看大盒翻了将近一百篇文献总结出来的姆潘巴效应大汇总！！！

一、真相的还是骗局？……真的！！

事实上，在非常多不同的实验条件下，热水可以比冷水快上冻——有的指从液态到固态的降温速度，有的指表面出现结晶的情况下结晶的速度。

这个描述实在是太违反直觉了，你要是直接拿着这句话去问一名科学家，他也可能信誓旦旦地说这事儿是错的。虽然早在几个世纪前亚里士多德、培根和笛卡​​尔已经知道这种现象，也许是中世纪以前的科学家说话本来就不太靠谱，科学家一直都没有重视这个问题。直到1969年一位名叫姆潘巴的坦桑尼亚高中学生才重新发现这个现象并发文将之引入现代科（灌）学（水）界。

关于热水结冰快的最早描述见于亚里士多德的《气象学卷一（Meteorologica I）》：

The fact that water has previously been warmed contributes to its freezing quickly; for so it cools sooner. Hence many people, when they want to cool hot water quickly, begin by putting it in the sun…
事实上，水被加热的过程将会导致其更快结冰，因为它能更迅速地冷却。因此当人们想要冷冻水的时候应该先将其置于阳光下……

十五世纪的科学家们完全无法解释，甚至难以决定自己是不是观察到了亚里士多德所说的现象。大约在1461年，物理学家乔瓦尼·马利亚尼（Giovanni Marliani）在关于物体如何冷却的辩论中说，自己已经证实热水比冷水上冻更快。他说他在实验中用了四盎司的开水和四盎司的非加热水（没有标明参数）在冬天放在室外，并观察到开水首先冻结。然而，Marliani无法解释这种情况。

后来，在17世纪，人们普遍知道热水会比冷水冻得更快。纵使大部分人并没有亲自观察到过，但是这个蜜汁结论好似谚语一样在民间流传广泛。在1620年，培根写道：

Water slightly warm is more easily frozen than quite cold。
稍暖的水比冷的更容易冷冻。

而稍后笛卡尔声称

Experience shows that water that has been kept for a long time on the fire freezes sooner than other water.
经验表明，在火上长时间保存的水比其他水更早冻结.

姆潘巴在他的论文中就是使用培根对这一现象的描述，将“热水可能比冷水冷冻更快的现象”定义为姆潘巴效应。

即便人家发文的时候还是高中生也不能因此原谅他这个后患无穷的定义_(:_」∠)_真的是……一点都不严谨啊……

首先我们应该准确地说明Mpemba效应的含义：两个形状材质相同的容器容器承装等量均匀的水。二者之间的唯一区别是，一个中的水处于更高（均匀）的温度；然后对每个容器施以完全相同的冷却过程。在某些条件下，最初温度较高的水首先冻结。

当然有相当一部分读者会指出：你这不对啊，假如我有一杯80°C的水和一杯30°C的水，80°C在结冰之前肯定要花掉一定时间到达30°C，然后再进入30°C水冷却的过程。所以不可能有热水结冰快的事情发生，对吧？

这个推理的问题在于，它的隐含假设是水的特征仅仅由水的平均温度决定。事实上除了平均温度外，其他因素（例如溶解物、温度的分布，也可以想象成对流吧）也很重要。当最初较暖的水降温到30°C时，可能与一开始就处于30°C的水（均匀的30°C）的状态截然不同。为什么？因为当水从70°C的均匀温度冷却到平均30°C时，水可能已经蒸发了一部分、又或者较高温度的水中溶解了更少的气体，从而产生不均匀的分布。甚至假如你用家里的冰箱做实验，80°C的那杯水可能已经改变了冰箱内的环境。

每一个因素都十分重要，所以上面的不可能性证明并不正确。

当然你去翻论文的话科学家已经提出了许多可能的解释，但到目前为止，没有哪篇文章可以跟你打包票说这个因素才是冷却机制中决定性因素。

大体上看，现代科学依然处在“公说公有理婆说婆有理”的尴尬境地。水在结冰时对外界的敏感程度超乎你的想象，由于在非常不同对条件下进行的重复实验数量有限，四种主流的解释都各自有着相应佐证以及反驳的实验。

如果有人声称“XXX就是造成姆潘巴效应的原因”，那只是基于特定实验环境得出的结论。当然，人家的实验并没有错，只是咱们作为知情人士得辩证地看问题啦～

下面将一一介绍这几种理论解释：

二、姆潘巴现象的成因

蒸发

当热水冷却时，它因蒸发失去质量。质量较轻的液体下降相同温度所减少的热量更少，因此冷却速度更快。有了这个解释，热水首先会冻结，因为真正冻起来的热水质量更少。 Kell在1969年计算得到的结果表明，如果水仅通过蒸发冷却并保持均匀的温度，则较温暖的水将在较冷的水之前冻结。

作为最直观的因素之一，加快蒸发毫无疑问在大多数情况下都有助于得到姆潘巴现象。

然鹅——

Mpemba和Osborne的实验测量了蒸发损失的质量，发现它大大低于Kell计算预测的量。雪上加霜的是，Wojciechowski的一项实验在密闭容器中也观察到姆潘巴效应，其中并没有质量损失蒸发。

溶解气体

另一种解释认为，溶解于水的气体会在最初温度较高时析出，而缺乏溶质则会让水导热变差，尤其是煮沸的水中所含的气体极少，从而改变水降温的速度。

然鹅*2——

没有理论支持这种解释_(:_」∠)_

间接证据可以从这两个实验中找到，在使用脱气水时，实验人员观察到了姆潘巴效应，而使用未脱气水则没有观察到现象。不过实验并未得出明确的气体含量与冷冻焓的关系。

反驳的结果也有，比如这两个就是发现煮沸的水跟未煮沸的水都出现了姆潘巴效应（姆潘巴本人做过，还有这个实验也采用了类似的设计），还有Osborne的实验跟Auerbach的实验认为改变溶解气体的量对姆潘巴效应没有实质性影响。

对流

还有人提出姆潘巴效应可以通过水的温度不均匀来解释。随着水的冷却，温度分布出现不均，从而导致对流。我们知道，四度以上时，水的密度随温度升高而降低。因此，随着热水冷却，水表面会形成“热盖（hot top）”，因此水在表面的热量流失速度就高于平均温度的水平。

最初热水将迅速冷却，其内部产生的对流速度比冷水更快，因此具有更快的冷却速度。换句话说，当80°C的热水冷却至平均温度30°C时，表面温度可能比30°C高得多，因此比平均30°C的水散热更快。

你们懂得然鹅*3——

即使对于形状极其普通的容器，其内部水的对流建模尚不完整。Brewster和Tankin就研究了冷水对流问题，结论是对流对冷冻速度的影响并不明确（有的快了有的慢了）。

以及，我知道聪明的同学会问了，四度以下水的密度会随温度降低而升高，那怎么办？

这个时候水就会形成冷盖，那就是更加复杂的问题了……暂时还没有足够好的建模。

周边环境

这一点能够解释绝大多数家庭实验中得到的姆潘巴现象！首先在有限的冷冻容器中，热水会改变杯体周围的温度而导致更快的对流散热，这项报告表明，水结冰的速度与冷冻室大小有显著关系。

另外，咱们把杯子放进冰箱的时候杯子往往是直接和冰霜接触的。装热水的容器会融化霜，然后“坐”进冰箱里，这样热水的容器能够更好地和冷却系统接触。如果融化的霜冻又刚好和容器形成冰桥，那么热接触将更加充分。

你所期待的然鹅*4——

科学家早就想到了这个问题，所以上文中例举的实验均在绝热体上或者冷却浴条件下进行……并不能成为该因素就是主要原因的佐证。

超冷冻

你也许见过这个神奇的现象：

数九寒天，体委同学用小推车拉进来一桶矿泉水⬇️

体委同学脑门上还冒着白气，全班人赖以生存的水源折射出漂亮的蓝光。几名口渴的同学已暗掏出保温杯在手，体委会心一笑以迅雷不及掩耳之势反手将水桶倒扣在净水器上。说时迟那时快，不可思议的现象发生了——

本来清澈的矿泉水突然由一点开始结冰，并瞬间扩散开去！不出两秒，一桶水竟变成了冰坨！！！

—————————正经的分割线—————————

对南方的小盆友来说过冷现象可能难得一见，不过作为一枚东北人，我小时候有幸见过一回（当时一整个教室都斯巴达了）。

过冷的原理可以解释如下：水结冰其实是一个寻找结晶核的过程，水的凝点代表“以此温度为分界线，水倾向于形成固体而非液体”，并不是说达到凝固点就一定会结冰。通常情况下当水中有杂质时，水就会围绕凝结核开始产生冰晶，但是有些水太洁净，没有尘埃和杂质，容器又非常干净而平滑，缺少晶核，冰晶就因无处依附而不能形成，即使温度低于凝固点，水依然会保持液态很长一段时间直至均匀的结晶核形成。

过冷导致热水结冰更快的现象经常发生。Auerbach的实验发现，最初的热水只会稍微过冷（约-2°C），而最初的冷水会过冷却到大约-8°C 。

……我发誓这是最后一次然鹅——

这也不能被认为是“姆潘巴效应”的唯一解释。上述实验只进行了有限数量的试验，有些成功而有些则失败了。因此这个结论只能作为统计意义上的结论，不能定性地说明什么。

其次，即便过冷说是真的，那么它的成因又如何呢？更容易出现晶核吗？与第一种机制恰恰相反，热水中溶解更少的气体因此更加缺少晶核，因此应该更难达到过冷才对；另外一种解释是热水冷却时，整个容器的温度变化差异更大，因此温度梯度带来的剪切力也更大，所以引起冻结。听起来也有道理，通篇缺乏理论推导，所以也仅仅是个猜想罢了。

……

三、结尾

以上就是对于姆潘巴现象相对全面的总结，水在冷冻的过程中发生了什么，也许只有分子级别的录像机才能告诉我们真相吧。

作者才疏学浅，如果您还知道其他未纳入本文的有关姆潘巴现象的研究，欢迎评论区补充指正！感激不尽～

嘛……想写一篇不无聊的科普文真难……

参考资料

Aristotle in E. W. Webster, “Meteorologica I”, Oxford U. P., Oxford, 1923

Bacon F 1620 Novum Organum Vol VIII of “The Works of Francis Bacon” 1869 ed. J. Spedding, R. L. Ellis and D. D. Heath (New York) pp 235, 337, quoted in T.S. Kuhn 1970 “The Structure of Scientific Revolutions” 2nd ed. (Chicago: University of Chicago Press)

Clagett, Marshall, “Giovanni Marliani and Late Medieval Physics”, AMS press, Inc., New York, 1967

Mpemba and Osborne, “Cool”, Physics Education 4

Ahtee, “Investigation into the Freezing of Liquids”, Phys. Educ. 4

I. Firth, “Cooler?”, Phys. Educ. 6

E. Deeson, “Cooler—lower down”, Phys. Educ. 6

Osborne, “Mind on Ice”, Phys. Educ. 14

M. Freeman, “Cooler Still”, Phys. Educ. 14

G.S. Kell, “The Freezing of Hot and Cold Water”, American Journal of Physics, 37

D. Auerbach, “Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold”, American Journal of Physics, 63

J. Walker, “The Amateur Scientist”, Scientific American, 237

B. Wojciechowski, “Freezing of Aqueous Solutions Containing Gases”, Cryst. Res. Technol., 23

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：大盒神经病

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