熱水比冷水結冰更快？科學家們為這吵了半個世紀

同樣多的一杯冷水和一杯熱水 同時放進冰箱 哪個會先結冰 這個問題乍一聽有點惱血栓 但答案可能會出乎你的意料 1969年 一本《物理學期刊》上的一篇文章 論述了一種熱水比冷水結冰更快的異常現象 文章一出 爭議鋪天蓋地 數不清的科學家參與了這場討論 甚至直到今天 依然有人在用心良苦地做實驗發論文 就爲了研究清楚 熱水結冰到底是不是比冷水更快 如果是 又爲什麼會更快 這件事情爲什麼會這麼複雜 50年過去還是沒有答案 科學家們研究出了怎麼樣的結果 這期節目我們就細細聊聊這件事 1969年 一位來自坦桑尼亞名叫姆帕巴的小夥 在一本叫《物理教育》的期刊上 描述了6年前上中學時自己的一次奇遇 在一次烹飪課上 他正學習製作冰淇淋 按照流程 他應該先把牛奶煮沸 把糖放進去 等到二次的混合物冷卻 再一起放進冰箱上凍 但當時班裏的冰箱就那麼大 慢吞吞的小夥到的時候 已經不剩什麼空間了 所以爲了佔坑 他煮完牛奶加完糖 沒等晾晾就急忙放進了冰箱 讓他沒想到的是 過了一會兒他回來 打開冰箱 發現自己當初直接放進冰箱的熱奶 現在竟然比同學們的涼奶 更早結成了冰 小夥大受衝擊 但也大爲不解 後來一次契機 他還找到了一位大學物理教授 用水復下了一次實驗 也得到了相同的結果 但誰都沒法解釋清楚 這種現象爲什麼會出現 這篇文章發表出來之後 一個叫母噴粑現象的新詞正式誕生了 而物理化學圈也一下子熱鬧了起來 因爲衆所周知 水要結冰就要降溫到零度 而熱水要結冰 肯定要先降溫到冷水的溫度 再到零度 可現在你竟然說熱水比冷水 在同樣的環境裏更早降到零度 這不是公然跟物理定律對着來嗎 於是圍繞這個母噴粑現象 一衆科學家發起了一場論戰 試圖解釋這種詭異現象背後的原因 但在爭論裏大家發現 這個問題比想象的要複雜得多 母噴粑現象難搞的第一個原因是 它本身不是一個定義清晰的問題 或者說它根本就沒有定義 我們只知道它有一個核心論述是 在其他條件都相同的前提下 熱水可能比冷水更快結冰 但是這個熱水到底是多少度 冷水又是多少度 拿什麼入氣樁 水是什麼純度 等等這些問題 全都沒有說清楚 做實驗控制不了變量 可太要命了 一部分科學家表示 很難復現母噴粑的實驗結果 比如有一個芬蘭赫爾辛基大學的老師 在母噴粑發表文章後沒多久 就往同一本雜誌投稿 他在實驗裏用上了蒸餾水 目的是避免可能溶解在水中空氣的影響 把水按照固定的不同溫度 分成了等量的5份 用來澆溫的冰箱溫度固定在零下23度 然後他把這些水統一用冰箱冷凍90分鐘 最後看哪杯水結冰最多 設計很規範了吧 但結果是 初始溫度越高的水最後結冰越少 也就是說並沒有出現母噴粑現象 2016年有兩位英國科學家發現 母噴粑現象是否出現 跟實驗選擇的測量方法有很大關係 他們的實驗把水溫降到零度 作爲判斷結冰的標準 比較的是兩杯水降到零度的速度 而這兩個人發現 如果它們比較相同高度上兩杯水的溫度 母噴粑現象就不會出現 但是如果兩個溫度級的高度 有哪怕一釐米的誤差 我們就可能會見到 支持母噴粑現象的證據 類似的研究還有很多 彷彿按照嚴謹規範的科學驗證 母噴粑現象原本就是一場幻覺 但是事情並沒有那麼簡單 其實母噴粑現象 在古希臘時期就有人發現了 大哲學家亞里斯多德 在他的著作《天象論》裏 記載過一個知識 過去有一個叫本都的古國 他們的居民冬季捕魚的時候 會用蘆葦在冰上搭建帳篷 而爲了讓帳篷迅速固定 他們會先在蘆葦上潑上溫水 之後這些蘆葦就會更快的結冰 並形成蘆葦冰帳篷 這個建議不是我建議的 是友商建議的 亞里斯多德總結說 正是因爲加熱夠的水 結起冰來比一般的水更快 而在文藝復興時期 另外兩位名人 培根和迪卡爾 也曾經有過類似的觀察 並且從不同視角 把這種現象寫進了各自的著作裏 而事實上 在母噴粑文章發表後的50年裏 也有不少科學家在自己的實驗裏 成功復刻過母噴粑現象 證實它在某些條件下 確實會發生 不僅如此 他們還提出了許多 對這種現象的解釋 比如 一 蒸發 有人認爲 熱水之所以會結冰更快 是因爲它在冷卻過程裏 會因爲水分的蒸發 而喪失一部分質量 喪失之後 杯子裏的水更少了 所以會結冰更快 二 溶解 有人覺得 理論上水溫越低 水裏溶解的氣體越多 而理論上溶質增加 水的冰點也會下降 所以冷水結冰會更慢 三 對流 一杯水在冰箱裏冷卻的過程中 外層的水溫 會變得比中間部分更低 水溫不均 就會出現熱水上升 冷水下沉的對流現象 而相比一整杯冷水 一整杯熱水 因爲與冰箱環境的溫差更大 會出現更多更快的對流 因此會獲得更快的降溫速度 四 過冷 水結冰需要降溫到零度 然而水到零度 卻不一定會結冰 因爲結冰是一個結晶的過程 而這個過程 需要先找到一個結晶核 這個結晶核可能是水裏的雜質 或者就是一個氣泡 但只有有了這個核 冰晶才能掛在上面 進而引起結冰現象 不然水溫即便到了零度 也可能會繼續保持液態 有人猜想 那些結冰更慢的冷水 就是因爲沒有結晶核 出現了過冷現象 雖然這些解釋 聽上去都有些道理 甚至已經能解釋一部分特例 但它們卻沒有一種 能涵蓋所有母胖發效應的情形 所以過去幾十年裏 基本都被其他實驗給推翻了 2012年 還發起過一次比賽 在全球範圍內 徵集對母胖發現象的解答 並且提供了獎金 他們收到了超過2萬2千份答案 但最後也沒能得到一個 讓所有人都信服的結論 所以這個東西到底爲什麼這麼複雜 以至於全世界的科學家 搞了50年都沒能搞出答案 除了我們前面說的定義問題 第二個問題就是 它本質上屬於一個 非平衡系統的問題 經典熱力學 以熱力學三大定律爲基礎 研究的是處於熱力學平衡態的系統 而與之相對 所有不處於這種平衡 但仍然可以用一些變量 進行描述的系統 就是非平衡系統 舉個簡單的例子 一杯室溫下的水 如果外部條件不變 就可以看作是一個平衡系統 而如果你把它放進冰箱冷凍 那這杯水的溫度跟密度 在接下來一段時間裏 就會發生變化 這個時候它就變成了一個 非平衡系統 直到它的溫度降到和冰箱一致 非平衡態熱力學研究 是熱力學研究發展的最新階段 只是相應的 不過2020年 尤順發表在NASA上 最新的硬核研究 就從非平衡系統的角度出發 見證了母胖發現象的真實性 在這個實驗裏 科學家用激光構造了一個 能量地帽 長這樣 其中深一點的坑 代表一個熱力學系統 會最終達到的平衡態 淺一點的坑 代表接近平衡態的一個亞紋態 它們擁有一個極其微小 只能用顯微鏡看見的玻璃球 代表系統中的一個微觀粒子 然後把能量地帽 沉進水裏 讓這個小球可以克服重力 在上面自由滾動 最後落進坑裏 來模擬一個系統冷卻的過程 實驗開始後 模擬初始溫度高的系統時 研究者就把玻璃小球 在地帽上任意放置 模擬溫度低的系統時 就把它的初始位置 限制在深坑的附近 這是因爲水分子的作用 小球會開始在兩個坑之間 反覆橫跳 而當小球有80%時間 待在深坑 20%的時間 待在淺坑的時候 我們就判定 它已經落入平衡態 完成冷卻 一個小球代表一個粒子 單個粒子的實驗重複1000次 疊加起來 我們就得到了 對一個包含1000個粒子的 系統的實驗結果 而結果是 在很多時候 初始溫度高的系統 則會比溫度低的系統 更早完成冷卻 相反的情形也會出現 但這不能否認 從非平衡態論理學的角度看 五盤八線像的確會發生 只不過對於發生的原因 作者說依然需要進一步挖掘 所以最後說了這麼多 從這兩杯水裏 我們能學到什麼東西呢 是這50年裏科學家們 嚴謹求真 一死不苟的精神 是小夥五盤八細心觀察 勤于思考的態度 還是研究尚未結束 我被扔去努力覺悟呢 我不知道你們 我反正認清了一件事情 就是最早研究五盤八線像的 兩個人 其實後來都沒有繼續 從事物理學研究 他們當中 一個去當了公務員 另一個也去當了公務員 所以結論就是 搞學術研究不如 搞公務員要知事業單位 好了 這就是本期節目的全部內容 如果你學到了一些東西 別忘了轉評贊 關注我微博 記得小夥伴按住點贊按鈕 給我們一個一鍵三連 我們下期再見