中国古人在2000年前是如何用热水成功造冰的？

造冰难题
夏季来临时，如果感到炎热，一个比较好的降温方式便是喝点冷饮，最好再加些冰块。毕竟进入工业社会后，这点需求要满足还是非常简单的。
但如果是2000年前的人们呢？那时的人们可没有冰箱、制冰机这一类电器，要想在夏天感受冰块带来的凉意是非常困难的。

然而，根据我国古人的记录，2000年前西汉时期就有相关的制冰技术了，名为“夏造冰”。《淮南万毕术》中写道：“取沸汤置瓮中，密以新缣，沈中三日成冰。”
“以瓮制冰”
大意为把热水放进瓮中，然后沉入井下，用热水制造冰块。听起来难以置信不是吗？因为在我们一般认识中，想要制造冰块，环境必须足够寒冷，而且得用冷水或常温水，没听说过用热水就能造冰的。

别说你不信了，就连当代科学家也没搞明白古人究竟是通过哪种现象或者反应来进行热水制冰，如今这种方式仍然是困扰着物理学家的大难题。
热水怎么能制冰呢？
先别急着质疑这一记载是否真实，关于古书中的记载，我们得仔细地来看看。文章接下来将会从造冰历史、可能会发生的现象、现代物理研究这几个方面来仔细探讨一下事件发生的可能性。

古法造冰
古人们想要品尝到冰饮，通常是在寒冷地区开凿冰层，获取冰块，然后盖上被子或者布料经过长途运输，最后放置地窖进行保存。天气热的时候，就把冰块拿出来食用。
古人的冰窖
这种方法虽然会在整个过程中损失一部分冰，但是这种附带损失完全能够接受。并且地窖阴凉，非常适合保存这种物质。但是这种“夏造冰”的方式却令人百思不得其解，而且这种高明的手法居然还是诞生自两千年前。

科学家为了研究这种造冰方法决定通过实践来应验它是否具有可行性。国内的科研学者对此做了相关实验，对此先是从理论上判定这种造冰方法应该是汤姆逊效应。

汤姆逊效应图解
这种状态下液体、气体在绝热膨胀中出现一种迅速降温，瓮的腔体在经过加热后，水以及水蒸气被快速排出。当水量将要被蒸发完之前，将瓮口用密封能力较强的编织物堵住，然后迅速沉入井中。

井底的气压和温度使得瓮瓶内部快速变化，这种急剧反差的变化使得瓮体内部气压骤降，近乎于真空，一定程度上，这种办法可以制造出少量的冰。
这种方法虽然确实在一定程度上满足了热水制冰的过程，但是制造出来的冰块量非常少。这明显不符合当时古人对冰块的需求，如此费时费力的制冰，获得的利益太少了。

而在实验室进行的改良制冰方案在原理上并没有太大的不同，但是这种制冰方法却又不符合古人的生产力，而且条件变量必须控制得非常精确才能成功制造出一定量的冰块。
古代人民离不开井
这种实验室制冰的方法并没有得到人们的认可，不过这却让不少人联想到另外一种可能的方式，姆潘巴效应。

如何造冰
“姆潘巴效应”是上世纪60年代以一名叫做姆潘巴的学生来命名的，这种效应展现了非常热的水或是液体，比其他开始变冷的同等液体要冷得更快。

当热水冷却时，液体会因为蒸发失去质量，较轻的液体下降，相同温度减少的热量更少，因此冷却会发生得更快。热水在这一过程中有明显的优势，所以热水首先会冻结。

不过这个实验必须保证水仅通过蒸发冷却且保持均匀的温度，这样相对较热的水才会在较冷的水之前进行冻结。
关于这个效应开展的实验最初是在冰淇淋混合物上，冰淇淋混合物在冷掉之前就开始出现结冰现象。反常的差异还出现在其他液体中，包括水。

不少科学家也对其进行过多次实验，结果基本类似，这种方式的制冰和现象和我国古书记载中的方式非常相似。目前学术界关于这种制冰效果的看法提出了多种多样的意见。
古人用冰制成“酥山”
部分学者认为这是一种“过冷”的方式来对液体进行制冰，水在自然结冰之前通常会达到零下6摄氏度~零下18摄氏度之间，水在这个过程中的状态很不稳定。

某些情况下，水更热的一部分会先开始结冰，一旦整体平衡被打破，那么水就会迅速结冰。但这种临界点很难通过人为去控制，因为不同液体有不同的流体属性，而且其中的成分也不相同，即便是差不多的一杯水，里面也会有不同的杂质，这些都会影响结冰的过程。
自来水中杂质极多
对此，又有一些科学家不乐意了，不同意这种说法的研究人员认为这类实验的变量影响太大，很多数据结果要是换个条件可能又是另一种结果。

更何况最初的实验使用的是冰淇淋，这种复杂混合物中的杂质明显会由于其不同的冰点带来一定程度的加速，使得液体凝固更加迅速。
化学家们通过分子模拟实验反驳了气流影响的说法，他们认为姆潘巴效应该和水中的氢键性质有关。

众说纷纭的造冰方法
液态水的性质与单个水分子之间的氢键网络密切相关，研究人员使用振动光谱和水体模拟实验来辨识这种关系。随着温度的不断降低，水分子会先形成许多氢键碎片，这些碎片形成冰的晶体结构。
冰晶体结构模型
热水中较弱的静电氢键会先开始断裂，氢键碎片量会比常温水多，从分子变化的角度上讲，这也许是热水为什么比冷水更快结冰的原因。

但是，问题又来了，这个实验在美国大气实验中心里进行验证时，制冰室的温度在零下15摄氏度，不同冰格间的结冰速度并不相同，而且差别很大。有的冰格要1个多小时才能结冰，有的则十几分钟就完成了结冰。这其中明显有很多变量因素需要去进行人为的控制。
就是这么一个看似普通的实验已经把科学家们搞懵了，不管从哪方面来看，似乎都可行。但又从这些已知的实验中，彼此间的说法却不相同。

从温度、对流、溶质、氢键、蒸发等等一系列研究都能说得过去，可就是没有一个能够完全通用的办法来进行解释。现在科学家们已经开始从磁流体上研究这个问题了，整个问题变得越来越玄乎了。
磁流体
总而言之，关于我国古人的造冰方法确有其事，理论上讲只要操作得当是可以造出冰来的。不过问题的关键在于，该如何去控制这种操作的变量，以及每个环节该如何去做，这是最让人头疼的。
冰窖
关于古法制冰的问题现代科学虽然没有完全解决，好在我们今天想要感受冰凉不需要像古人那么麻烦。不过这也侧面说明了我国古代劳动人民的智慧是非常强大的，细致的观察力使得他们可以通过这样的方式在夏季品尝到冰饮，不得不佩服他们的动手能力。

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