科學的原理起源於實驗的世界和觀察的領域,觀察(chá)是第一步,沒有(yǒu)觀察就不會(huì)有接踵而來的前進。
——門捷列夫(fū)(俄(é))
一、中學生姆潘巴的精心觀察對權威的牛頓冷卻定律提出挑戰
我(姆潘巴)在坦(tǎn)桑尼(ní)亞(yà)的馬幹巴中學讀(dú)三年級時,校中的孩子們(men)做(zuò)冰淇淋總是先煮沸牛奶,待到(dào)冷卻(què)後再倒入冰盤,放進電冰箱。為了爭得電冰箱的最後(hòu)一隻冰盤,我決心冒著弄壞電冰箱的風險而把熱牛(niú)奶放進去了。一個多小時以後,我們打開電冰(bīng)箱(xiāng),裏麵出現了驚人的奇(qí)跡:我(wǒ)的冰盤裏的熱牛奶已結成堅硬(yìng)的冰(bīng)塊,而他們的冰(bīng)裏還(hái)是稠稠的液體。我飛快地跑去問物理老師,他(tā)淡淡地回答說:“這樣的事一定不(bú)會發生。”
進入高(gāo)中後,在學習牛頓冷卻定律時,我又問物理(lǐ)老師,他同樣輕率地否定了我的(de)觀(guān)察。我(wǒ)繼續述說我的理由,可老師不願意聽,在一旁的同學們也幫著老師質問我:“你究竟相(xiàng)不相信牛(niú)頓冷卻定律(lǜ)?”我隻好為自(zì)己辯(biàn)解:“可定律與我觀(guān)察的事實不符嘛(ma)!”在同(tóng)學們(men)的訕笑聲中,老(lǎo)師帶著無可奈何的(de)神情說道:“你說的這些就叫做姆潘巴的物(wù)理吧!”從此以後,“姆(mǔ)潘巴的(de)物理”便成了我的綽號,隻要我做錯(cuò)一點,同學們就馬上說“這(zhè)是姆(mǔ)潘巴的什麽……。”盡管(guǎn)如此,我仍(réng)然堅信我的觀察是正確的,其中可能包含著更為深刻的道理。
就(jiù)在這一年,坦桑尼亞最高學府達累斯薩拉姆大學物理係係主任奧斯(sī)波恩博士來我校訪問,我決心求助於博士,我向他講述了我的奇遇。他先是笑了一下,然後認真地(dì)聽取了我的複述,博士回校後親自動手並觀察到了同一(yī)事實。他高度評價了我的(de)觀察,他說:“姆潘巴的觀察,事實上提出了權威物理(lǐ)學家可能遇到的危險,同時也對物(wù)理教師提出了一個感興趣的問題。”
博(bó)士邀請我聯名發表一篇論文,登載於《英國教育》,對熱牛奶在電冰箱中先行凍結的現象作了介紹和解釋。其主要內容是:
1.把牛奶換成水以後再進行(háng)觀察,發現電冰箱中的熱水仍在冷水之前凍結成冰。
2.把熱水放入電(diàn)冰箱冷卻時,水的上表麵(S)與底(dǐ)部(bù)(B)之間存在著顯著的溫度差。緩(huǎn)慢冷卻時的溫度差幾乎是觀察(chá)不到的。圖1-1是初始溫度分別為(wéi)70℃(實線)和47℃(虛線)的水的S-B溫度差隨時(shí)間變化的觀測記錄圖。從圖中可看出,初始時,上表麵與底部不存(cún)在溫(wēn)度差,但一經急劇冷卻,溫(wēn)度差(chà)就立即出現,其中初溫為70℃的水內產生的最高溫度差接近14℃,而初溫為47℃的水內產生的最高溫度差隻有10℃左右,這就是我們所觀察到的冷、熱水在急劇冷(lěng)卻(què)時的重大差別。
在以上定量觀測的基(jī)礎上,我們對(duì)熱牛奶(或熱水(shuǐ))先凍結的現象作出如下解(jiě)釋:
1.冷卻的快慢不(bú)是由液體的平均溫度(dù)決定的(de),而是由(yóu)液體上表(biǎo)麵(miàn)與底部的溫度差決定的,熱牛奶急劇(jù)冷(lěng)卻時,這種溫度差較大,而且在整個凍結前的降溫過程中,熱牛奶的溫度差一(yī)直大於冷牛(niú)奶(nǎi)的溫度差。
2.上表麵的溫度愈高,從上(shàng)表麵散發的熱量就愈多,因而降溫就愈快。
基於以上兩方麵的理由,熱牛奶以更(gèng)高的速度冷卻著,這便是(shì)熱牛奶先凍結的秘密。
除了作出熱牛奶先凍結的解釋外,我們還大膽地類推出一(yī)個有趣的“猜想”:在發生嚴重冰(bīng)凍(dòng)的日子(zǐ)裏(lǐ),熱水管應(yīng)該先(xiān)於冷水管發生凍結,是不是這樣(yàng)呢?由於我們生活(huó)在赤道附近的坦桑尼亞,這裏氣候四季炎熱(rè),難以觀察到這十分有趣的現象,歡迎能觀察到這一現象的中學朋友們,為我們提供信息,共同討論(lùn)。
自從我們的(de)文章發表後,世界上很多科(kē)學雜誌都刊登了這一自然現象,認為這是對牛頓冷卻定律的嚴峻挑戰。而且還以我的名字把這一自然現象命名為“姆潘巴效應”。這真叫人不好意思呀!
二、反思
中(zhōng)學生姆潘巴觀察到(dào)的現象,可能好多人都遇到過(guò),但是為什麽會發生姆潘巴的同學不(bú)相信,老師不相信,甚(shèn)至連物理學博士聽後也還是“先笑了一下”呢?他們可能是這樣思考的:
冷(lěng)牛奶從初溫開媽到凍結所需時間為t1,熱牛(niú)奶冷卻到初溫所需時間t2,則熱牛奶從(cóng)初溫開始到凍結(jié)所需的全部時間為t1+t2。
顯然有(t1+t2)>t1.
由上式可以推導出如下結論:熱牛奶先凍結的現象不可能(néng)發(fā)生。
如果發生了熱牛奶先凍(dòng)結的(de)現象,則必(bì)然導出(t1+t2)1的結論,這似乎是荒謬的。
正因為上述貌(mào)似正(zhèng)確的推理支配(pèi)著人們(men)的頭腦,所以不少的人不但自(zì)己不去觀(guān)察,甚至連別(bié)人觀(guān)察到的(de)事實也不(bú)敢相信。這種不(bú)尊重觀察的態度,往往使真(zhēn)理從自己(jǐ)的鼻(bí)尖下麵悄悄(qiāo)溜走,這難道不值得立誌從事科研工(gōng)作的(de)人們引以為戒嗎?