姆潘巴效应原理(姆潘巴效应是真的吗)

近日，电子科技大学材料与能源学院张亚刚教授在国际知名学术期刊info mat(https://online library . Wiley . com/doi/full/10.1002/in f2.12352)上发表了题为《直接观测Mpemba带水效应——探索神秘的传热》的研究论文，首次通过在水体系中的实验研究，发现了直接观测Mpemba带水效应的条件，解开了MP EMBA效应之谜。研究生唐志强和黄卫东是论文的第一作者，张亚刚教授是论文的通讯作者。电子科技大学是论文的第一单位，也是唯一的交流单位。

这一研究成果解决了困扰物理化学科普领域50多年的难题，通过实验完美清晰地结束了关于Mpemba效应的困惑和争议，进一步促进了人们对热传导和能量储存与传输的认识。在未来的教科书中，人们将不再把Mpemba效应视为神秘而无法解释的现象，张亚刚教授团队关于Mpemba效应的实验工作也将成为物理化学领域的经典科普实验，对科学思维、思辨和推理能力的培养具有重要意义。

科学中有很多重要的问题，如哥德巴赫猜想、梅森素数猜想、霍奇猜想、庞加莱猜想、黎曼假设、纳维尔-斯托克方程等。有这么一个神秘的现象，中学理化老师都给学生讲过，也是十万个为什么里的经典问题(http://Wei shenme . in/wenti-516 . html)。国际国内争论不休，争议不断，问题不断(http://BBS . Tianya . cn/post-666-44786-1 . shtml)。这种现象就是姆彭巴效应。

1963年，在坦桑尼亚的一所中学里，一个叫Mpamba的初中生偶然发现，冰箱里的热牛奶比冷牛奶先凝结(冻结)。原则上水温越低最先结冰，牛奶中含有大量水分。应该是冷牛奶比热牛奶先结冰。偶然的发现让姆潘巴困惑不已，他带着这个疑问从初中一直到了高中。Mpamba先后咨询了几位物理老师，都没有得到答案。一个老师觉得他的问题怪怪的，近乎荒谬，于是用嘲讽的语气说:“你说的这叫姆彭巴效应！”然而，执着的Mpamba并不认为他的问题很可笑。他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯本博士来他们学校参观的机会，提出了自己的问题。奥斯本博士没有嘲笑他的问题。回到实验室后，他按照Mpamba的说法做了冷热牛奶的实验，结果观察到了Mpamba形容为颠覆常识的奇怪现象。1969年，Mpamba和Osbourne博士共同撰写了一篇关于这一现象的论文。从此，这种颠覆常识的奇怪现象被命名为Mpemba效应。帕姆巴效应是指在相同体积、相同质量、相同冷却环境下，温度稍高的液体先于温度稍低的液体结冰的现象。

这张图来自网络。

帕姆巴效应在科普领域也被称为“世界难题”。有些人在自己的冰箱里做实验，好奇的学生在中学实验室里度过整个夏天，有些大学的工科师生自己制作测温仪器。有人说Mpamba效应根本不存在，有人视之为真理。2005年7月6日，CCTV10《走近科学》做了一个专题报道，但给出的结论是不存在Mpemba效应。

学生很迷茫。谁是对的？网上一搜就更让人吃惊了。大部分都说还是个谜！这也引发了热议:科学经典还是谣言？探索真理还是演绎真理？坚持真理还是怀疑并抛弃真理？

正因如此，华中科技大学物理学院物理学史专业2010级学生熊超在毕业论文的结论与展望中写道:“总之，这种现象争论不休，没有牛顿、爱因斯坦、普朗克这样的大物理学家来结束争论……”“我想我们可以向中科院提出做这个实验，至少在我们学校，来结束对这个令人困惑的问题的争论。”

中学时，张亚刚的科学启蒙老师，初中化学老师石忠，高中化学老师戴家红都多次提到这种现象。他们生动的表达方式，他们鼓励学生不要相信权威，大胆探索，勇敢破解这一未来神秘现象的教导和期望深深印在了他的脑海里。

在过去的几十年里，Mpamba效应这一神秘现象一直受到国际学术界和科普界的争论。《20世纪十大科学欺骗》中的一篇文章甚至提到mpemba效应只是愚人节的产物，并被部分文章引用。

2012年，英国皇家化学学会举办了一场解释mpemba效应的特别挑战，参与者超过22000人。最后，Erasto Mpemba本人宣布Nikola Bregovivic获胜。布雷戈维奇提出了mpemba效应的两个原因:(1)较冷的样品过冷而不是冻结；(2)较热样品中增强的对流通过保持容器壁上的热梯度来加速冷却。

尽管许多研究者提出了一些理论模型试图解释其机理，但这些模型由于描述笼统，且有大量复杂的数学模型，不被大众所理解和接受。令人惊讶的是，在水这一简单体系中的系统实验研究极为罕见，这加深了公众对这一问题的困惑和争论。

2016年，剑桥大学应用数学和理论物理系的Paul F. Linden教授和伦敦帝国理工学院的Henry C. Burridge教授在科学报告上发表论文(追问MPEMBA效应:热水并不比冷水冷却得更快。sci。第637665号众议员；Doi: 10.1038/srep37665 (2016)。)，质疑并明确指出，根据他们的实验结果，Mpemba效应是不存在的。这篇论文勇敢而孤独，因为它是迄今为止唯一一篇发表在国际学术期刊上的科研论文，指出Mpemba效应不存在。

2020年，加拿大西蒙弗雷泽大学的Kumar和Bechhoefer教授在《自然》杂志上发表了题为“胶体系统中的指数级快速冷却”的研究论文，构建了一个复杂的模拟胶体系统。将不同温度的玻璃珠放入水中，用激光照射玻璃珠，追踪玻璃珠在水中的运动。根据胶体体系模型的计算和推导，可以得出结论:存在Mpemba效应。作者认为该仿真系统很好地验证了Mpan。(胶体系统中的指数级快速冷却。自然，2020，584(7819): 64-68).

现有的理论模型艰深晦涩，不仅公众难以理解，专业科技工作者也难以理解。抛开理论模型，能否用简单直观的体系和系统的实验数据来回答这个问题？在强烈的好奇心和科学研究者的使命感驱动下，2020年初，张亚刚团队决心解决这个困扰物理化学科普50多年的难题。

研究历时一年多，从最初使用普通温度计、相机、人工读取数据、绘制曲线，到设计开发成套实验设备。在团队执着的坚持和探索下，我们从大量的实验数据中剥茧，对影响因素逐一权衡和琢磨，最终给出了在水这个简单体系中观测Mpemba效应的条件，并给出了解释。

带领团队破解Mpemba效应之谜的张亚刚教授表示，“我很高兴电子科大的团队，电子科大的研究生们，锲而不舍，与齐新一起解决了这个困扰物理化学科普50多年的难题。在未来的教科书和科普书籍中，人们将不再因为我们的发现而将Mpemba效应视为神秘而无法解释的现象。”

此外，张亚刚教授团队还开发了一整套研究Mpemba效应的实验装置，并申请了中国发明专利。"希望我们研制的实验设备能够让对科学充满好奇的中小学生通过这样一个物理化学领域的经典科普实验，培养科学思维、思辨推理和科学精神。"

简介:张亚刚，电子科技大学材料与能源学院教授、博士生导师，美国南卡罗来纳大学博士，伊利诺伊大学香槟分校博士后，2013年5月回国，当选国家青年人才。2019年当选中国化学会理事，2020年当选英国皇家化学会会员。四川天府峨眉项目科技创新带头人，四川省绿色发展专家库专家，四川省侨联特聘专家委员会专家，成都市知识产权规划发展专家，四川省科技厅绿色低碳重大专家组专家。培养博士、硕士15人，获省部级科技进步一等奖1项，二等奖3项，其中第一完成人2项，获省部级优秀新产品一等奖。在国内外学术期刊和会议上发表论文100余篇，出版中英文专著3章，发明专利授权14项(第一发明人)。产品在R&D累计销售收入超过1亿元。

资料来源:材料学院

编辑:何乔