姆潘巴的物理问题相关资料

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学初三学生姆潘巴意外发现一个现象，至今无人能揭开其中的奥秘。事情的经过是这样的：一天，学校里供学生做冰淇淋的冰箱内放冰格的空位所剩无几了，他见同学个个抢着把煮沸后冷却的牛奶放入其中，便急急忙忙地把牛奶煮沸，等不得冷却就倒入冰格送入冰箱。过了一个半小时后，他惊谔地发现，他的热牛奶已结成冰而其他同学的冷牛奶却还是很稠的液体！为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结呢？他去请教物理老师，得到的回答是：“你一定弄错了，这种事是不会发生的”。后来，他升入高中，仍念念不忘这个问题，再次去问老师，老师说：“我所能给你的回答是，你肯定弄错了。”当他继续提问与老师争辩时，老师讥讽他“这是姆潘巴的物理问题”。一天，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士来他们学校做报告，会后，姆潘巴鼓足勇气向这位博士提问：“如果您取两个相似的容器，放入等量的水，一个是30℃，一个是100℃，同时放入冰箱冷冻室，100℃的先结冰，为什么？”博士回答：“我不知道，不过我保证回去后立即亲手做这个实验。”博士回到大学与他的助手马上动手做了这个实验，证明姆潘巴讲的现象确是事实。这究竟是怎么一回事呢，博士百思不解，他一直在探求这个问题的答案。

1969年，奥斯玻恩博士和姆潘巴两人撰写了一篇文章，发表在英国《物理教师》杂志上，对姆潘巴的问题作了第一次尝试性的解释。他们做了一系列实验，实验用的是直径4.5厘米容积100毫升的硼硅酸玻璃烧杯，内盛70毫升沸腾过的各种不同温度的水。通过对实验结果的定量分析得出的结论是：冷却主要在液体表面，冷却速率决定于液体表面的温度而不是它的整体的平均温度，液体内部的对流使得液面温度维持比体内温度高（假定温度高于4℃），即使两杯液体冷却到相同的平均温度，原来热的系统的热量损失要比原来冷的系统来得多，液体在冻结之前必须经过一系列的过渡温度，所以用单一的温度来描述系统显然是不够的，还要取决于初始条件的温度梯度。

后来，许多人在这方面进行了大量的研究，发现这个看来似乎很简单的问题，实际上要比设想的复杂得多，它不但涉及物理原因，而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学问题。

从物理学角度看，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察发现，引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果。玻璃杯内盛有4℃冷水结冰时，因为水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量很难靠传导传递到表面，杯中水由于温度下降，体积膨胀，密度变小而集结在表面，所以在水表面处最先结冰，其次是底部和四周，从而形成一个密闭的“冰壳”。这时内层的水便与空气隔绝，只能靠传导和辐射来散热，冷却得很慢，另外，这个“冰壳”对水结冰时体积膨胀起了“抑制”作用，这也延缓了内部结冰的速率。而盛有100℃热水那一杯冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”，看到的却是沿冰水界面向液体内生长出针状冰晶（在初温低于12℃时看不到此现象），且逐渐变粗，这是因为初温度的热水，上层水冷却密度变大向下流动，形成液体内部对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越激烈，能量损耗也越大，冷却的速率也越快，尽管最后“冰盖”还是形成了，冷却速率变小，但由于水内冰晶已经生长且粗大，具有较大的表面能，所以冰晶生长的速率仍然比初温低的水快得多。

从生物作用方面看，水中的微生物往往是水得以结冰的“结晶中心”。而某些微生物在热水（100℃以下）中繁殖比冷水中快，这一来，热水中的“结晶中心”比冷水中多得多，从而加速了热水结冰的协同作用。

姆潘巴发现并提出的这个问题，至今仍停留在对现象观察的定性分析上，真正解开“姆潘巴问题”之谜，对其做出全面的定量的理论解释还有待进一步探索。