2012年诺贝尔奖正在揭开面纱,你是否厌倦了每年“不明觉厉”的隔靴搔痒?科学松鼠会从今年开始,将为拉近中国人和诺奖的距离做出自己的努力。恳请你回想人生第一次见到呼呼奔腾的玩具小火车,那股“我要拆了它搞清楚是怎么回事”的躁动是否还在心间?如果有,举起你提问的手,抛出你想到的一切问题,“日不落”松鼠会将不舍昼夜为你解答,并每天选出两枚最好问题,为提问者奉上科学松鼠会新书,Dr.U栏目的作品合集《再冷门的问题也有最热闹的答案》。

提问地址,新浪微博微访谈入口:http://talk.weibo.com/ft/201110097300

短问答汇总

勤快卓克 提问: 想知道观测一个叠加态时,对状态的影响是怎么让它恢复原状的

松鼠会Sheldon: “R. Vijay 小组的博士生们巧妙的设计了一个循环回馈机制,某次观测会对振动进行扰动,但是在振动被这次观测随机扰动的同时,回路中的回馈系统会产生一个回馈信号,抵消掉观测对回路的状态的随机影响”,详情见《寻找薛定鄂的猫——物理学家首次实现量子态叠加的弱观测》

露半秋 提问:既然观测单个量子必然干扰进而破坏纠缠态(薛定谔态),那么如何证明未被观测的粒子确实处于纠缠态呢?

庄小哥: 隐约觉得这个提问有些同义反复的意思,因此尽管不是我的领域,也随便插两句吧(更准确的可以等物理松鼠来)。这里面有个先来后到的问题,做实验时,科学家首先要搞出两个处于纠缠态的粒子,然后再对其中一个进行操作。也就是说技术先保证它们“已经”纠缠着了

芒芒星 提问: “现在”,“过去”,“未来”是都同时存在的吗?如果都同时存在,那么一切是否是沿着历史延续?

庄小哥: 根据相对论,时空的本质是一样的,所以你可以理解为这三者只是在离开我们的距离上有差别罢了。历史是什么?如果你指的是文字描述的那些(特别是教科书里的那些),则答案显然是:不是。以下说法会靠谱些:一切是沿着光锥延续的。

依山居AI 提问:可以问这样的傻问题吗?如果没有伦理和法律的限制进行科研。。可能会怎么样呢?

庄小哥:的确是个伪问题。不过我想提醒这位同学的是:伦理和法律也不是一成不变的,你拿出古罗马的法典来和美国宪法比一比试试看。对科研的这种担忧更多是因为某种想象,就像想象倘若没有太阳了世界会不会被鬼统治一样。事实上无论在什么境况,人都必须去作为。

疯地追猪 提问: 人类的技术似乎已经到了无需我们进化就能帮助我们在各种环境下生活的状态,是否意味着未来人类只有通过技术介入,修改基因什么的达到进化的目的呢?

sjorchid: 理论上是可行的。但是我们对于基因调控的认识仍然处于初级阶段。如果不自觉的适应环境,恐怕等不到完全操控基因,人类就不存在了。

冷杉Frankie 提问:若干年后人类女性会不会因为剖腹产而退化自然生殖?

Ent_evo: 其实现在剖腹产多的主要原因除了心理因素外,是营养条件好,胎儿越来越大了……也许有少数女性因先天身体因素难以顺产,她们用剖腹产生出的后代顺产也较为困难,这样拉低了能够顺产的人的比例。但这样就算会影响到全人类,也要经过非常非常非常漫长的时间。

西西陵 提问:为什么镜子里的的自己和照片里的自己看起来不完全一样?有很多人在镜子里都比在照片里好看?

Albert_JIAO: 这个应该有很多原因了,我觉着照片里的像是平面非立体的,而且如果用好一些的相机,照片颜色、清晰度各方面可以达到比较逼真的程度,但是常常和真实的物体还是有细微的差异。其实也要看照片是谁拍的,专业摄影师拍的照片常常比真人好看多了。

唔憨下定决心要减肥 提问: 为什么人类只有男女两种性别,而不是更多。

sjorchid: 如果有更多性别,那繁殖起来多麻烦啊。两性已经可以保证基因得到良好的交流和重组。如果,再多一个性别才能生育,那找到合适机会就会变得异常困难。

疯地追猪 提问: 听说蘑菇有上万种性别,不知道除了雄性、雌性、半雌雄(如果这个也算的话),不知道还有其他的那么多性别都是怎样的?

sjorchid: 蘑菇菌的繁殖确实比较复杂,分无性生殖和有性生殖两大类。无性会有游动孢子,包囊孢子,分生孢子,不过没有结合哪有雌雄之分。有性的有担孢子,通常是直接由“+”、“-”菌丝结合形成双核菌丝,长出担子,在担子内的双核经过核配和减数分裂,最后长出担孢子。

小蚂蚁大智慧 提问: 臭,为人所反感。但是,人为什么会反感臭味?是从环境学习来的,哪些喜欢哪些讨厌?还是真的这些味道触发了某个特定部位导致厌恶?有人会喜欢臭味么?

sjorchid: 臭味通常意味着有毒有害的物质,比如腐烂产生的尸胺,腐胺。这也是演化的结果,因为不知道躲避这些味道的个体早就挂掉了。还有一些特别的臭味,比如臭豆腐,那意味着发酵后更容易消化的物质,这样的臭味还是有人喜欢的。

265小强235坚强 提问: α-磷酸甘油穿梭相对苹果酸-天冬氨酸穿梭有什么好处?即前者生成1.5ATP后者2.5ATP,但都是将2H带入线粒体内,为什么会有低效率的穿梭存在呢?

Ent_evo: 苹果酸-天冬氨酸穿梭虽然高效,但有前提:细胞液里的NADH/NAD+比值必须比线粒体基质高,等于是下坡运输,所以高效。但是骨骼肌和大脑的能量消耗太快,需要在线粒体内维持极高的NADH浓度,这时上坡运输就只能牺牲效率,使用无视浓度的磷酸甘油穿梭了。

cham和帮主 提问:心电图检查正常可以玩刺激的过山车吗?为什么人突然从好处下落心会发紧,正常吗还是心脏不好

庄小哥: “心紧”的感觉由肾上腺素大量急速分泌导致。各方面身体状况良好、胆子也比较大的可以玩玩过山车,倘若觉得有担忧,不试也无妨,它也不是人生必须体验的。

冷杉Frankie 提问:人类死亡一瞬间为什么会轻21克 果然有灵魂吗?

庄小哥: 对那个灵魂21克的研究,只有一个评价:孤例不证。只不过这个研究的结果被广为传播了而已。大多数人看到的是一句所谓的结论,并没有了解这个过程,其实实验中颇有一些不严密之处。

Albert_JIAO: 据我了解,人的身体在死后相比生前重量稍微减小的原因主要是人体内的水蒸气蒸发造成的.

Ms_WHYing 提问:1、 为什么飞机起飞的时候一定要打开遮光板?具体有什么用怎么用?2、大象会打喷嚏吗?打喷嚏的时候是怎么样的?

Albert_JIAO: 对于Q1,若飞机着陆发生事故,打开遮光板可以:1、若客舱内灯光故障,窗户提供辅助采光,防止黑暗中拥挤踩踏2、便于舱外营救人员观察内部状况,进行施救,舱内乘客也可看清舱外爆炸起火等情况3、便于乘客选择安全的路线逃生,例如飞机一侧是陆地,一侧是海水.

叫破春风人不归 提问:UFO真的仅仅是美国为他们制造的特殊飞行器所编造的借口吗?有没有不明飞行物存在?我认为存在诶!那美国到底制造出特殊的飞行器没?

Albert_JIAO: 这个问题说来话长,不明飞行物可以是飞机、灯光、热气球、气象、流星、谎言等各种原因造成,目前还没有一个UFO案例可以有充足的证据证明是超自然现象或者外星人一类。松鼠会上有一篇文章介绍所谓的著名罗斯威尔UFO事件真相.

耳小东贝小刀 提问: 植物,比如向日葵,会朝着太阳的方位变换花方向,它的茎根是如何做到的这点的?

Ent_evo: 不敢说所有植物,但Helianthus annuus这个“标准”的向日葵,目前认为还是生长素。背光处生长素多,长得快,所以朝向光处倾斜。但是这个晃动幅度不是特别大(全天不超过75度),不同花不太统一,而且只有没成熟的花才会晃动;成熟之后花盘就固定朝向东方了。

BOOK皮 提问:常言的手机辐射和手机作为电子产品所产生的辐射是一样的吗?哪个危害大?开启飞行模式是不是就没手机辐射了?

Albert_JIAO: 任何电子产品都会产生辐射,手机在开启飞行模式,没有通信功能的时候依然有辐射,不过此时的辐射相比于手机天线向外发出的辐射小很多。可以这样说:飞行模式时辐射<

疯地追猪 提问: 我有个朋友在旧金山,听说那里处于板块边缘,但已经有几百年没发生过地震了。是否意味着能量在积蓄,会有超强级别的地震发生的可能性?

Ent_evo : 旧金山附近是太平洋板块和北美板块的交界,有多个著名断裂带,1838, 1868, 1906, 和1989都有过大地震。美国地质勘探局(USGS)2008年给出的报告 认为, 未来三十年内发生一次6.7级以上大地震的概率是63%。做好防震准备吧。

沐右: 旧金山附近在1906年发生过7.8级地震1989年发生过6.9级地震 , 小震更是从未断过 , 一个大地震是公认的事情,不知道啥时候。

三体-二维化的郄小井 提问:能不能给文科生迅速科普一下ips的运作原理以及它是如何克服伦理障碍的?鞠躬!

桔子帮小帮主: 用胚胎干细胞做研究,需破坏胚胎,有人认为从胚胎开始该受法律保护和尊敬。人工诱导的没有经过胚胎这个阶段,于是回避开这个问题。但不是说ips细胞没有任何伦理问题,现在是技术达不到,没法发育成完整的生命个体,这是潜在的伦理问题。

蓝色鲸鱼M 提问:ips细胞在诱导前和受精卵细胞含有的遗传信息不是完全一样的么?

桔子帮小帮主 : 正是完全一样。牛逼之处就在于这帮科学家发现细胞的发育状态是基因组中编码了的,所以才有可能通过改变几个基因的表达,改变细胞的分化水平。

萨穆埃尔焦 提问:是否存在自然状态下分化细胞向干细胞的转化?

桔子帮小帮主: 其实两爬动物断肢再生的过程,就有部分或完全分化的细胞去分化的过程,在创伤下形成一层干细胞的原基。人的策略不一样,如果将来要用,就维持多能干细胞状态。发展为癌的细胞倒是也去分化,但也不是变到干细胞。

zvhdd 提问: 童第周的金鱼和英国人的青蛙比起来如何?

Ent_evo : 根据我查到的资料,童第周完成鱼类克隆是在1963年,而Sir John B. Gurdon的爪蟾克隆实验早在1958年就成功了,不但是第一例脊椎动物的克隆,还开创了整套核移植的实验方法。从这个角度来说,前者原创性远不如后者。

卖裆佬蜀黍 提问:为什么自然界中很多雄性都有美丽的外表,但是人类雌性外表相对雄性更精致一些,这是人类的进化还是退化?

sjorchid: 显然,在雌性看来,雄性外表也是有美丑之分的。另外,人类的演化已经脱离了简单的身体上的竞争。对于资源的占有能力对雌性有着更强的吸引力,这也是对后代成活的保证。所以,雄性外貌漂不漂亮已经不重要了。但是雌性的漂亮意味着健康的生育能力,这很重要。

天晴控 提问:某些病毒侵犯宿主后,大量繁殖的后果是使宿主死亡,之后病毒也随之死亡。为何病毒还要致死宿主?

Ent_evo: 宿主是个“公地”,病原体繁殖需要消耗宿主的资源,如果你不攫取,其它的病原体也会攫取,最后宿主死掉的时候别人比你的后代更多,更能侵染新宿主。如何多繁殖尽量传染更多新宿主、又别让老宿主死得太快,这是一个复杂平衡,有些新来的还掌握不好这个平衡呢。

疯地追猪 提问: 生物大灭绝是自然界的大洗牌,那么死于人类的动物是否也会产生适应性进化呢?听说非洲大象象牙尺寸缩小了,这算是适应了,还是因为优秀基因灭绝导致?

sjorchid: 总会有一些动物适应人工环境的。比如蟑螂,仓鼠,喜鹊,乌鸦等等。还有依赖人类传播的入侵植物,紫茎泽兰,薇甘菊等等。基因无所谓优秀不优秀,只有对环境的适应和不适应。

张磊_AYA 提问:人类的大脑是为适应自然环境进化而来,那为什么大脑却有很多未知功能及区域?这些未开发的功能如何进化而来?

sjorchid: 未知区域只能说我们的理解和认识不到位。但是那不是未开发区域,大脑所有的部位都是有用的。

用iPS细胞,能造个人出来吗?

sjorchid 提问: 用ips能造个人出来吗?

松鼠与网友答

拟南芥: 现在把这些细胞定向分化成某种特定的细胞都挺难的,要重新造个人可能有点难。

游识猷:当初取名时还是比较保守的,ips里的p是pluripotency,“多能的”;而非“全能的”(totipotential)。ips理论上能分化成胚胎的内中外胚层里的任何一种细胞,但是因为它和胚胎干细胞在基因表达图谱上还是有区别,所以有怀疑说这种细胞不一定能造出人。当然,实践才是检验真理的唯一标准。理论上要真正回答这个问题,就得试着去造人看看。问题是,当初研究ips很大程度上就是为了绕开一些伦理禁区。造人这种实验更是禁区中的禁区了,伦理委员会可能很难批准这类实验吧。


laminin: Totipotency:这个词来自于拉丁词根toti+potency。toti是totus的主格阳性复数形式,totus的意思是whole, all, entire。potency来自拉丁语potens,意思是拥有能力的意思,因此这个词对应的中文翻译才应该是“全能”。而按许多干细胞文献和书籍的解释,totipotency的意思是:the ability of a single cell to divide and produce all the differentiated cells in an organism, including extraembryonic tissues。就(动物)干细胞生物学而言,用totipotency就意味着此类细胞不仅具有分化成身体每一种器官及细胞的能力,同时具有分化成胎盘中合胞体滋养层或细胞滋养层的能力。而滋养层,胎盘这些细胞并不真正构成身体。就老鼠细胞和人细胞而言,只有受精卵和随后的16细胞期(?不太确定是8细胞还是16细胞期,记得这有争议)的细胞才是真正的totipotency。随后细胞分化成构成身体的囊胚和外层的滋养层(trophoblast,or trophectoderm)。

Pluripotency: 词根同样来自拉丁语plurimus,意思是许多,非常多 very many。在干细胞生物学中,这个词的意思是the ability of a single cell to divide and produce all the cell types in a body. 指单一细胞具有分化成身体每一种器官及细胞的能力。pluripotency的细胞,不具备分化成胎盘组织的能力,无论胚胎干细胞也好,ipsc细胞也好,都只是pluripotency,而不是totipotency。

传统上pluripotency被翻译成“全能”,但是这个翻译并不准。如果直译成许多能干细胞,好像又很绕口。

Multipotency: 这个词一般翻译成多能。但是实际是指the ability to differentiate into multiple, but limited cell lineages. 我记得mulitpotency的隐含意思就是指细胞不能分化成跨胚层(trans-germ layers)的细胞,比如mesoderm来源的骨髓干细胞是无法自发分化成endoderm来源的消化道细胞或者ectoderm来源的神经细胞的。

因此无论ES细胞也好,IPS细胞也好,其实是不具备单一细胞分化成人的能力的。因为他们无法自发分化成胎盘(我记得通过转基因操作或别的手法可以诱导es细胞在体外分化成部分TS细胞,但仍不能自发形成胎盘组织),而胎盘对胚胎发育具有不可替代的重要意义。肯定有人要问那为什么不培育totipotency的细胞呢?如果我的知识没过时的话,答案是因为他们太容易也太快就分化了,在体外培育这种细胞世代几乎不能用于实验目的,也就失去了选育他们的目的。当然或许将来能培育。

全凭记忆和wiki,如有缪误,请不吝指教。

子非鱼鱼自乐:是不是说以后买水果就可以不用去卖肾了?

laminin : 肾可能是最早实现的自体培养器官之一,但也离实用还很远。 相比之下,血管,肝,可能更早。

医学阻碍了进化?

湘雅小超人 问:医学是不是反自然?由达尔文提出的进化论,生存斗争,弱者淘汰,但医者救死扶伤,本该被突显的基因失去优势,是不是阻碍了进化?

松鼠答

桔子帮小帮主: 可以把医学看作人类的一种“适”。文明出现之前,也许选择的是身体素质,之后接受选择的东西多了。我觉得演化只管你是不是活下来,究竟用的什么阴招,它不管。

庄小哥: 基因没有应不应该凸显的说法,一切都是偶然,环境造就。

游识猷: 为什么精美蜂巢就是“神奇的大自然”,钢筋水泥森林就是“非自然”呢…人类本就是自然的一分子,不能因为现在人类能造成比较大的影响就说人类“反自然”嘛… 话说回来,确实医学能造成人群里基因频率改变,但这不算是“阻碍”进化吧,当下能生存,即是适者。

Ent_evo: 按照达尔文的理论,一个特征是否适应是由环境决定的,并没有任何基因是天生注定应该“突显”的。人类面对的环境既然改变了,那么对于人类来说“好基因”的标准也随之改变,强者和弱者的定义也随之改变。这是完全正常、完全“自然”的现象,也许会改变人类进化的方向,但远不是“阻碍”了进化。更重要的是,每一个具体的人都是许多基因汇集的产物。如果我们放弃医学,也许会有很多身体脆弱、免疫力低下、有先天缺陷的人死掉,但是谁知道这里有多少聪明的人、敏锐的人、高尚的人、伟大的人?在我们这个世界里,我觉得创造伟大文化的能力要比身体的健壮更加重要。


扩展阅读:医学阻碍了人类的进化吗?

作者:Ent

这是一个经常被问起的问题。在这里整理一下我的想法。

提问者的基本逻辑是:在“原始”状态很多人会死掉,这是优胜劣汰的表现形式;现代医学把这些“本该死掉”的“弱者”救回来了,就阻碍了自然选择。

以下是我的回答。

有必要反复说:自然选择并不存在一个不变的方向。如果非要说有,那也是“人生的目的就是生人”,对于自然选择来说只要能繁衍后代,用什么办法都无关紧要,管用就好。

而一个办法是否管用、或者说一个特征是否适应,这是由具体环境决定的。没有哪个基因在任何环境下都能给出最优表现,所以在不知道环境情况时,没有任何特定的基因是天生注定应该留下、注定成为进化趋势的。

因为医学,其实还有工具制造、农业、畜牧、公共卫生、营养学、绿色革命以及几乎所有其他人类成就,人类面对的环境已经发生了巨大的改变。那么对于人类来说“好基因”的标准也随之改变,强者和弱者的定义也随之改变。这是完全正常的现象,也许会改变人类进化的方向,但远不是“阻碍”了进化或者选择过程。毕竟进化方向的改变是再正常不过的事情。

而在现代医学的帮助下,体质脆弱的劣势的确是越来越小了。也许我们现在发生的事情和合成Vc的能力一样,是“有害基因随环境变化逐渐变为中性”的例子:合成Vc的能力在两栖动物中演化出来,到了灵长类又丢失了,因为灵长类的食谱中富含Vc,就算没有这个基因也没关系。的确,演化没有考虑到几千万年之后的某些水手会因此患上坏血病,但事实上连人类也无法考虑这么久远之后的情况。毕竟我们不能预测未来环境的改变,也许某个更远的未来里不能合成Vc将成为优势呢。

另一方面,每一个具体的人都是许多基因汇集的产物。如果我们放弃医学,也许会有很多身体脆弱、免疫力低下、有先天缺陷的人死掉,但是谁知道这里有多少聪明的人、敏锐的人、高尚的人、伟大的人呢。

那么,医学留下了体质的“劣”者,但同时也留下了智力和其它层面的“优”者,这个买卖是划算的吗?在我们所生活的这个世界里,我认为是划算的;眼下的这世界里能毁灭我们的,不是天然的细菌病毒,而是我们自己的文化产物。而人类个体对于文化的贡献,和他的体质关系很小。两害相权取其轻,我宁可牺牲抵敌自然的能力,换取领悟自身的能力。

我在这里假定二者是几乎无关的,但也有可能我们会发现二者因为权衡原理是负相关的:能量有限,也许先进的免疫系统或者发达的肌肉就是要以身体其他部分的机能作为代价。

现实中人类演化的方向和速率的确都在发生改变,改变可能还十分巨大,但原因远远不止医学这一条。除了医学外我所能想到的至少有这么些:人类审美偏好的改变;营养的充足甚至过剩;自愿和强制的人口控制;后代数量和成功标准的脱节;繁殖平均年龄的变化(高龄意味着突变更多),等等。这还不算未来的人体遗传改造的可能性。哪怕医学完美到无人会在生育前死去、社会公平到所有人的后代数目都完全一样,还有突变和漂变呢。

要怎样的改变会是好的呢?从保护生物学的角度来说的话,因为我们的环境变化太快了,可能尽量增加我们的遗传多样性才是我们合适的应对之策。但是这就意味着我们的社会要能够接纳更多“奇奇怪怪”的人类遗传特质。且不说我们这个社会能不能做到这一点,我们有权力让那些“奇怪”的个体安于现状吗?如果一对父母坚持要遗传改造自己的孩子,让他拥有某个影星的外貌基因,我们能以保持人类遗传多样性为理由不允许他们这么做吗?好像也不合适。也许说到底,一边在改变我们的环境、一边又在帮我们应对这个变化中的环境的,其实是人类的文化——也即人类大脑所创造出来的一切;而我们这个物种的未来可能其实和我们的生物演化没有多少关系。

诺贝尔奖得主更长寿?

飘飘37 提问: 好像看到过一个说法,获得诺贝尔奖的人会更长寿?这种研究的样本量够吗?背后的机理有哪些假说呢?

松鼠答

Ent_evo:这项研究还真有……我看了下原文,写了个笔记。研究结论是得奖的人比起只得到提名而没得奖的人多活1.6年。至少方法上没看出什么大问题……作者猜测的主要原因是得奖为得主带来了更高的社会地位。

扩展阅读:得诺奖可以延寿

作者:Ent

原文:Mortality and Immortality: The Nobel Prize as an Experiment into the Effect of Status upon Longevity

“必朽与不朽:诺贝尔奖作为实验验证社会地位对人类寿命的影响”

来自康奈尔大学的研究者很严肃地讨论了一个问题:自古以来人们就知道社会地位高的人更容易活得比较久,但是这二者间有怎样的因果关系呢?也许其实是长寿的人更容易得到高地位,或者长寿和高地位有一个共同原因,但二者没有直接联系?甚至是取样偏差?

因为社会地位的因素实在太多,难以做对照,所以他们想了个办法:把得到诺奖的人作为一组,没有得到诺奖但获提名的作为另一组。这里仅限科学奖。其实我总觉得和平奖得了之后会死得更快的样子=v=

使用的数据是1901年到1950年之间的诺贝尔科学奖项得主和被提名者,一共有560人。之所以用这个数据是因为被提名者身份要在50年内保密,所以新的数据不能得到。何况新的得主很多还没死呢/_\\  其中532人能够明确确定生卒年份,这里面去除了4位女性,又去除了4位非生物原因死亡者(两人死于一战,两人死于交通事故),剩下524人就是样本,其中135人得奖。(有12人曾获物理或化学奖提名,但是最后得到了生理奖)

研究者认为,能够被提名的人都作出了相当伟大的成就,那么在得奖之前所有被提名者的社会身份可以认为是可比的。那么变量就是最后有没有得奖了。初步数据表明,得奖的人比起没有得奖、只得提名的人,要多活1.4年。

但是这显然不够成为因果判断,因为一个人活得越久越可能做出大发现,也越可能活到颁奖的时候,毕竟诺奖不给死人。所以他们又用上了更多的数学手段:matching test 和 time-varying covariates regression test (好吧我真的不知道这个对应的中文是啥……)总之排除干扰因素最后校正过的数据表明得奖可以多活1.6年。

作者认为是得奖带来的社会地位的提升而导致了这额外的寿命,并非相反。他们尽力地排除了其它的解释,排除得彻不彻底我不敢说,但是反正他们是考虑到了……

最后的作者总结比较亮:“之前的研究表明,获得奥斯卡奖的导演编剧的寿命反而会较短……但是据我们所知,学术界并不因药物、酒精、性、暴力、自我极度膨胀、帮派团伙、开快车和疯疯癫癫这些好莱坞名导演的日常生活特征而出名。”

热水比冷水在冰箱里更快结冰?

姑苏城外_新天地 提问:听说有个简单问题至今没有答案,为什么热水比冷水在冰箱里更快结冰?
沐右: 这是一个没有完整的科学解释的问题,里面涉及到的因素太多,理论分析和实验验证都很难。英国皇家化学学会悬赏1000英镑求解这个问题。 Ent_evo 翻译过一个介绍资料,可以略微看下。

扩展阅读:姆潘巴效应:综述翻译

作者:Ent
【导读】
节译自 Jeng, Monwhea (2006). "Hot water can freeze faster than cold?!?". American Journal of Physics 74 (6): 514. arXiv:physics/0512262. DOI:10.1119/1.2186331. arXiv:physics/0512262v1.

在特定的情况下,姆潘巴效应是成立的。具体细节请看paper。

真正的问题在于:

    a 怎样的条件下?多少水?水温如何?外界环境如何?容器如何?目前我们知道很多组满足要求的条件,但并不知道完整的条件。
    b 什么机制导致了姆潘巴效应?蒸发导致水质量降低?不同的水对流情况?水中气体含量差异?我们知道了一些可能原因,但并不知道全部原因,也不太清楚哪个因素最重要。

所以,用单个实验来论证这个效应成立或不成立是没有意义的。要解决这个问题,目前看来我们需要a理论计算和模拟;b大量成套实验的重复。

1 姆潘巴效应
基本的表述是:两个水体,二者温度不同、但其他条件完全相同,暴露在低于零度的完全相同环境下,初始温度较高的水体可能会先结冰。

表面上这个现象似乎是不可能的,但是的确有众多的观察表明这可以发生。

2 前科学时代的经验观察(只想要结论者可以跳过,但当科学史来读很有趣)

亚里士多德,350BC:
热水冷却的速度更快……因此很多人要冷却水的话都先把它放在太阳底下,而Pontus的居民要在冰上捕鱼时先在棒子上浇热水,因为热水结冰更快。
Aristotle, Meteorologica, translated by H. D. P. Lee (Harvard U.P., London, 1962), Book I, Chap. XII, pp. 85–87.
基本上这是最早记录下的观察了。亚老爷子认为,加热这个过程本身让水的全部变化都加速了,显然这个解释是不对的。但是亚爷爷很萌的你们不许黑他!

罗杰·培根,13世纪:
普遍认为瓶子里的热水比冷水冷却得更快……但是实验表明瓶子里的冷水冷却更快。啥?你说亚爷爷下过这个论断?你们图样图森破了,他说的不是瓶子里的水,而是把热水和冷水同时泼到寒冷的表面(比如冰面)上时,热水先结冰,这和瓶子不一样的。这个故事告诉我们实践是检验真理的唯一标准。
(好吧好吧,其实他说的是Therefore all things must be verified by experience……)
R. Bacon, The Opus Majus of Roger Bacon, translated by Robert Belle Burke (Russell and Russell, New York, 1962), Vol. II, Part 6, p. 584

罗杰培根不愧是穿越者……不但自己有实验,还这么犀利地就看穿了本质:热水先结冰需要某些特定条件才能成立。这一招就完破眼下无穷的DIY实验者。但是具体有哪些条件呢?
[P.S.中世纪学者非常热衷于讨论的一个问题是,物体冷却究竟是被外界作用冷却呢,还是自己就能变冷。]

弗兰西斯·培根,17世纪:
略微暖和的水比很冷的水更容易冻结。
F. Bacon, “Novum Organum,” in The Physical and Metaphysical Works of Lord Francis Bacon, edited by J. Devey (Bell, London, 1911), Book II, Chap. L, p. 559.
(这个故事里他就是一龙套,无视吧。别把俩培根搞混就行。)

笛卡尔,1637:
“如果我们把长颈烧瓶装满热水,放在冰冷的空气中,会看到水位明显可见地下降,直到很冷的时候;接下来它会略微膨胀,上升一点点,然后完全结冰。但我们还能由实验看到,一瓶水如果保持高温很长时间,那么它比别的水冷却更快,因为加热时其中最能抵抗温度变化的一部分蒸发掉了。”
R. Descartes, Discourse on Method, Optics, Geometry, and Meteorology, translated by P. J. Olscamp (Bobb-Merrill, Indianapolis, 1965), Chap. 1, p. 268.
“我亲自做了这些实验,尤其是你所评论的那个热水比冷水快的实验;但我说的不是热和冷,而是说一瓶水加热长时间、再冷却到和普通水一样的温度,这时候再使之结冰的话,那么加热过的水冷得更快。但是能正确地完成以上实验步骤的人没有几个,而如果实验做得不好,结果经常会相反。”
R. Descartes, Euvres Lettres de Descartes (Librarie Gallimeru, 1953), p.998.
好像有人躺枪了呃……(倒地不起)
虽然笛卡尔大神好像有点歪楼了,但他(重新)指出了一个关键因素:加热的确会使水发生变化。什么变化呢?难道水是有某种历史依赖性么?

当然,自从近代热学理论建立,这些讨论就被遗忘了……

……直到1963年。

3 厄拉斯托·姆潘巴与20世纪的研究

1963年,坦桑尼亚的中学生姆潘巴和他的朋友们试图制作冰激凌。因为冰箱空间有限,所以姆潘巴把他的刚煮沸的原料液体和同学没煮过的液体一起放进冰箱,但是他后来发现他的液体虽热,反而先结冰了。

显然他遭到了老师和同学的嘲笑(你这是姆氏物理学,不是普通物理学!)但是姆同学的牛逼之处在于,他接着做下去了……然后附近一个大学老师Dr. Osborne来学校访问时姆同学又向他提出了这个问题。于是问题变大了,姆同学以一作身份发了paper (E. B. Mpemba and D. G. Osborne, “Cool?,” Phys. Educ. 4, 172–175 1969.)很快发现,在科学界以外,很多人都相信这一点。大量的观察结果涌现出来,当然也伴随着大量的反证和怀疑。

于是我们发现笛卡尔和罗杰培根等人是很有先见之明的:要讨论姆潘巴效应,我们必须给这个问题下一个严格的定义,给出严格的成立条件。

4 这个问题是科学问题吗?

(1)中我们给出了一个定义,但显然这样的情况不会总是发生。一杯0.00001度的水肯定比99.9999度的水先结冰……所以1中的定义应该修改为:存在一定的初始条件,使得两个水体,二者温度不同、但其他条件完全相同,暴露在低于零度的完全相同环境下,初始温度较高的水体先结冰。

也正因此,所有那些做了一组实验就发现姆潘巴成立/不成立的人,都可以无视了。他们愿意动手实验这一点应该尊敬,但一组实验真的不说明任何问题。我们要的,是确定能发生这现象的初始条件。可惜,因为涉及的初始条件实在太多,迄今为止我们还没看到一个完整的总结。


[这张图是实验结果之一,可以看到,烧瓶的大小、水量、环境条件等因素都有影响。
J. Walker, “Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?,”
Sci. Am. 2373, 246–257 1977 ]

5 这个效应有什么可能的理论依据呢?

初看起来这是不可能的,因为假如一杯70度的水和30度的水放在一起,那么70度必须先冷却到30度才能追上人家的起跑线,既然如此,似乎没理由更快啊……

但是!水的指标绝不仅有温度这一点。也许70度水冷却到30度时还有别的参数变了呢。不过注意,这个参数一定要独立于温度。你可以试图考虑水分子的运动速度,但是这个速度完全取决于温度,70度降到30度时水分子运动速度和30度也一样了。所以是无效的。

可能参数a:水的质量。这是姆潘巴效应最强的解释之一:热水蒸发了,质量变小,所以冷却更快。关于水的质量讨论,可参见 G. S. Kell, “The freezing of hot and cold water,” Am. J. Phys. 375, 564–565, 1969. 这篇文章。

但这不意味着水的质量是唯一因素。另外,闭合容器里也有这个现象。(B. Wojciechowski, I. Owczarek, and G. Bednarz, “Freezing of aqueous solutions containing gases,” Cryst. Res. Technol. 237, 843–848, 1988.)

可能参数b:水的温度分布。一杯水并不一定是处处恒温的,而是有对流。虽然定量很复杂,但是定性地说,一杯初始状态30度的水,是处处恒温的;但一杯刚刚从70度冷却到平均30度的水,上层的水大于30度,而下层小于30度。显然后者的情况更利于蒸发……一个相关的研究是,轻微的搅动会大大增加冷却所需时间(E. Deeson, “Cooler-lower down,” Phys. Educ. 6, 42–44 1971.)

可能参数c:周围空气温度和对流情况。这个有点复杂,自己看论文吧:I. Firth, “Cooler?,” Phys. Educ. 6, 32–41 1971

可能参数d:冰箱结霜……霜层导热很差,放杯热水进去能让霜层融化,加速导热。A. Osborne, “Faster freezing,” New Sci. 43, 662 1969. 不过这只能解释日常冰箱现象,实验中都是不会有霜层的。

可能参数e:溶解气体差异。(记得笛卡尔吗?)热水的气体溶解度低,从而热容量降低。但先把两杯水都煮沸除气之后,也能做出这个效应。所以这似乎不是必备因素。不过……后面会提到更复杂的情况。

麻烦的是,在不同的条件下,不同因素的效果也不一样……比如容器形状就影响蒸发效果啥的。

……

总之,这是个很复杂的问题……不要想简单了。1000英镑不是那么容易拿到的。

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13 Responses to “[2012诺贝尔]微访谈“问顶诺贝尔”汇总(一)”

  1. 郭钢说道:

    是问顶还是问鼎?

  2. loler说道:

    诺贝尔奖得主更长寿?
    ====================

    很明显搞反了,要长寿才能得奖。比如希格斯要是不好好锻炼身体,估计就危险了。

  3. cunjing222说道:

    有人拿物种自发的进化与医学干扰阻碍人类自发的进化来说事, 这些人是不是新来的? 以前从没来过科学松鼠会和guokr?
    自然界生物自发的进化, 只是特定物种为了适应环境而发生的结果, 无论是自然界还是生物自身, 从来没有什么优生, 也根本无法预测自身的进化, 进化过程中的淘汰与幸存, 只是特定物种被自然环境用适应性筛选出来的结果罢了, 这种筛选是特定与物种自身特性的, 所以才有不同物种有不同的生存方式.
    对人类而言, 引用前述的结论, 医学的作用恰恰是保证人类无数个体的不可预测的无线潜能得以有机会展现, 否则, 从远古到今天, 人类根本不需要为了生存以及生活的更好, 而发展医学了. 只需要被动等待自然界的优生就OK了, 这还是脱离了低级趣味的智能生物的人的行为吗? 真要这样, 人类与泥鳅蟑螂, 还有什么区别?
    美国人曾说过, 每一个孩子都有可能成长为一个美国总统.

  4. 郭钢说道:

    2012年诺贝尔奖正在揭开面纱, 中国是继续周期性地“痛经”,还是因为奇迹的出现而治好这难言之隐?媒体已经疯狂:莫言,问鼎诺贝尔文学奖的条件已经具备!

  5. 隐矢宇说道:

    看到最后了,我认为热水和冷水那个问题的答案是密度不同、水分子排列不同、能量通道不同(沿晶体方向和水沸腾的翻涌方向)、水的宏观运动和微观运动(沸腾)、还有就是可能不同的形态对于红外发散的难易也不同。猜测完毕。

  6. 广州帕金森治疗说道:

    广州帕金森治疗:http://www.pjszl.cn

  7. les说道:

    很明显搞反了

  8. cn498说道:

    好文章!欣赏!
    “问顶”,似乎为问鼎。请斟酌。