&bsp;　　水是氫、氧兩種元素組成的無機(jī)物，在常溫常壓的狀態(tài)下，是無色無味的透明液體。經(jīng)過處之后，才會(huì)發(fā)生明顯的變化。其實(shí)，水看似是一種非常常見的物質(zhì)，但是它所潛藏的奧秘可是無窮無盡的。就比如，水根據(jù)溫度的不同，分為熱水和冷水，那么，將他們同時(shí)放進(jìn)冰箱里，哪個(gè)會(huì)更快結(jié)冰呢？

　　姆潘巴的問題‐‐開水比涼水先結(jié)冰的奧秘

　　如果向你提問：&ld;同樣多的開水和冷水一同放進(jìn)冰箱里，哪個(gè)先結(jié)冰？&rd;，你很可能帶著譏笑回答：&ld;當(dāng)然是冷水了！&rd;錯(cuò)啦！

　　1 姆潘巴的物問題

　　坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級(jí)曾有一位名叫姆潘巴的學(xué)生，在學(xué)校他經(jīng)常與同學(xué)一起做冰淇淋吃。他們的做法是這樣的：先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后再倒入冰格中，然后放進(jìn)冰箱的冷凍室內(nèi)冷凍。因?yàn)閷W(xué)校里的同學(xué)很多，所以冷凍室放冰格的位置一直供不應(yīng)求。

　　一九六三年的一天，當(dāng)姆潘巴來做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾了。一位同學(xué)為了搶在他前面，竟把生牛奶加糖后立即搶先放在冰格中送進(jìn)了冰箱的冷凍室。而姆潘巴只好急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷卻，立即把滾燙的牛奶倒入冰格，送入冰箱的冷凍室里。奇跡發(fā)生了，過了一個(gè)半小時(shí)后，姆潘巴發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶已經(jīng)凍結(jié)了，而其他同的冷牛奶卻還是粘稠的液，并沒有結(jié)冰，這個(gè)現(xiàn)象使姆潘巴驚愕不已！

　　2 嘲笑和回答

　　姆潘巴百思不得其解，就去請(qǐng)教物老師：為什么熱牛奶反而比冷牛奶先凍結(jié)？老師的回答是：&ld;你一定弄錯(cuò)了，這樣的事是不可能發(fā)生的。&rd;姆潘巴并沒有就此罷休，他牢牢地記下了這個(gè)不同尋常的現(xiàn)象，常陷入深思之中……

　　姆潘巴后來升入了伊林加的姆克瓦高中，他并沒有忘記這個(gè)問題，又向高中的物老師請(qǐng)教：&ld;為什么熱牛奶和冷牛奶同時(shí)放進(jìn)冰箱，熱牛奶先凍結(jié)？&rd;他沒想到老師卻這樣嘲笑說：&ld;我所能給你的回答是：你肯定錯(cuò)了。&rd;當(dāng)他繼續(xù)提出疑問與老師辯論時(shí)，老師又譏諷他：&ld;這是姆潘巴的物問。&rd;姆潘巴想不通，不滿意，但又不敢頂撞教師。

　　3 博士的答卷

　　終于，一個(gè)極好的機(jī)會(huì)來到了，達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物系主任奧斯玻恩博士訪問姆克瓦高中。奧斯玻恩博士給學(xué)生作完了學(xué)術(shù)報(bào)告，接下去是回答同學(xué)的問題。姆潘巴經(jīng)過充分的醞釀，鼓足勇氣向他提出了那個(gè)多年思慮的問題：

　　如果你取兩個(gè)相似的容器，放入等容積的水，一個(gè)處于35℃，另一個(gè)處于100℃，把它們同時(shí)放進(jìn)冰箱，100℃的水先結(jié)冰，為什么？

　　奧斯玻恩博士在小姆潘巴面前接到了一份嚴(yán)肅認(rèn)真的&ld;考卷&rd;，他還是第一次聽說到這個(gè)不同尋常的現(xiàn)象。感到為難和迷惑的博士并不掩飾什么，而是實(shí)事求是地回答道：&ld;這個(gè)，我不知道，不過我保證在我回到達(dá)累斯薩拉姆之后親自做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。&rd;回去后，他立即和他的助手做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，姆潘巴說的那個(gè)現(xiàn)象是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的事實(shí)！這究竟是怎么一回事？為什么會(huì)這樣呢？

　　一九六九年，姆潘巴和奧斯玻恩兩人撰寫的一篇文章發(fā)表在英國《物教師》雜志上，文章對(duì)&ld;姆潘巴的物問題&rd;做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)記錄，并對(duì)問題的原因作了第一次嘗試性的解釋。

　　他們做了一系列的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用品是直徑45厘米，容積100毫升的硼硅酸玻璃燒杯，內(nèi)放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析得出了這樣的結(jié)論：

　　冷卻主要取決于液體表面；

　　冷卻速率決定于液體表面的溫度而不是它體的平均溫度；

　　液體內(nèi)部的對(duì)流使液面溫度維持得比體內(nèi)溫度高（假定溫度高于4℃）；

　　即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統(tǒng)其熱量仍要比原來冷的系統(tǒng)損失得多；

　　液體在凍結(jié)之前必然

　　經(jīng)過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統(tǒng)的狀態(tài)顯然是不夠的，還要取決于初始條件的溫度梯度。奧斯玻恩博士雖然沒有最終解決姆潘巴的物問題，但面對(duì)科學(xué)和事實(shí)，他給了小姆潘巴和我們一份科學(xué)求實(shí)的答卷。

　　4 問題遠(yuǎn)比想象的要復(fù)雜

　　后來許多人也在這方面做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，人們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)看來似乎簡(jiǎn)單的問題實(shí)際上要比我們的設(shè)想復(fù)雜得多，它不但涉及到物上的原因，而且還涉及到作為結(jié)晶中心的微生物的作用，是一個(gè)地地道道的&ld;多變量問題&rd;。

　　(1) 物原因

　　從物方面來說，致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流。通過實(shí)驗(yàn)觀察并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流三者相互作用的綜合效果。如果把熱水和冷水結(jié)冰的過程敘述出來并分析其原因就更能說明問題了：

　　盛有初溫4℃冷水的杯，結(jié)冰要很長時(shí)間，因?yàn)樗筒ＡФ际菬醾鲗?dǎo)不良的材料，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面。杯子里的水于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在表面。所以水在表面處最先結(jié)冰，其次是向底部和四周延伸，進(jìn)而形成了一個(gè)密閉的&ld;冰殼&rd;。

　　這時(shí)，內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導(dǎo)和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進(jìn)行。另外于水結(jié)冰時(shí)體積要膨脹，已經(jīng)形成的&ld;冰殼&rd;也對(duì)進(jìn)一步結(jié)冰起著某種約束或抑制作用。 盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時(shí)間相對(duì)來說要少得多，看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到&ld;冰殼&rd;形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時(shí)，看不到這種現(xiàn)象）。

　　隨著時(shí)間的流逝，冰晶細(xì)變粗，這是因?yàn)槌鯗馗叩臒崴蠈铀鋮s后密度變大向下流動(dòng)，形成了液體內(nèi)部的對(duì)流，使水分子圍繞著各自的&ld;結(jié)晶中心&rd;結(jié)成冰。

　　初溫越高，這種對(duì)流越劇烈，能量的損耗也越大，正是這種對(duì)流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。于熱傳遞和相變潛熱，在單位時(shí)間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大。當(dāng)水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時(shí)，水面就開始出現(xiàn)冰晶。

　　初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是于冰蓋未形成和對(duì)流劇烈的緣故，最后可以觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長速度仍然要比初溫低的水快得多。

　　(2) 生物原因

　　同雨滴的形成需要&ld;凝結(jié)核&rd;一樣，水要結(jié)成冰，需要水中有許許多多的&ld;結(jié)晶中心&rd;。生物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水中的微生物往往是結(jié)晶中心。

　　某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點(diǎn)）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的&ld;結(jié)晶中心&rd;就要比冷水中的&ld;結(jié)晶中心&rd;多得多，加速了熱水結(jié)冰的協(xié)同作用：

　　圍繞&ld;結(jié)晶中心&rd;生長出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核。對(duì)流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。

　　結(jié)晶釋放的能量則通過對(duì)流放出，而各相鄰的冰粒又連結(jié)成冰，直到水全部凍結(jié)為止。 以上是科學(xué)家對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析所得出的一些結(jié)論和提出的一些解釋。

　　但要真正解開&ld;姆潘巴問題&rd;的謎，對(duì)其做出全面定量而令人滿意的結(jié)論，還有待于進(jìn)一步的探索。現(xiàn)在有的學(xué)者提出用高錳酸鉀作液體示蹤劑，用雙層通電玻璃觀察窗來進(jìn)一步觀察，有興趣的讀者不妨一試，或許揭開這個(gè)歷時(shí)二十多年奧秘的人將是你。