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彭巴效應

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彭巴效應（Mpemba effect）指的是熱的物體比冷的物體冷卻得更快的物理現象。

對該現象的討論最早或可追溯到公元前三世紀的亞里斯多德，至1969年一份重提討論該現象的論文引發了諸多學者關注、討論，並持續至今。一些人就該現象進行了實驗驗證，認為其未嚴格量化試驗標準、試驗結果不可重複實現，彭巴效應並不存在；也有人認為該現象不僅可在宏觀系統（如水）中被觀察到，還擴展到微觀系統的研究中[1]，甚至在量子系統中也得到了實驗驗證[2]。2025年的一份研究，引入了「熱優化」（thermo-majorization）理論以嚴格量化彭巴效應的方法，稱為「熱優化彭巴效應」，嘗試推導了彭巴效應在有限時間內發生的普適條件[2]。

歷史

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古典

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亞里斯多德曾講過：「先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。」[3]可理解為「先前加過熱的水與先前未加過熱的水在同溫下比較，加熱過的水更快結冰」。此類現象也曾被弗蘭西斯·培根[4]和笛卡爾[5]以不同的方式描述過，但是均未能引起廣泛的注意。也有人說亞里斯多德描述的可能不是彭巴效應。書中的原話是：「先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。」[3][6]指的是被加熱過的水，而非熱水或溫水。

近代

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1963年，坦尚尼亞的一位中學生埃拉斯托·彭巴（英語：Erasto B. Mpemba）在製作冰淇淋時，發現熱牛奶經常比冷牛奶先結冰，1969年潘姆巴和丹尼斯·奧斯伯恩（英語：Denis G. Osborne）博士就此現象共同撰寫了一篇論文，因此該現象便以其名字命名[7][8]。

但1969年的論文中並未給出準確定義：如熱水與冷水的溫度，容器的形狀，水的純度，結冰的定義等。現實實驗的結果出現過：熱水較冷水結冰快，但大部分時間還是冷水快。因為實際結晶動力學的複雜性，和過冷過程的不確定性，冷水過冷沒結冰熱水沒過冷直接結冰了的情況也是會發生的。且熱傳導不能解釋彭巴效應。因此一些人認為該現象並不存在[9]。

2010年，紐約州立大學賓漢姆頓分校負責輻射安全的官員詹姆斯·布朗里奇撰文，表示其在過去十年進行了數百次有關彭巴效應實驗，最終得出結論是雜亂無章的雜質才是導致熱水更快速凍結的關鍵因素[10]。其表示，這種效應基於過度冷卻現象，水的凍結點取決於水中與冰晶形成有關的雜質，核化溫度最高的雜質決定了水的凍結溫度，其結晶動力學和雜質和晶種都有關係[10]。

2012年，英國皇家化學學會舉辦比賽[11]，嘗試解釋彭巴效應，獲獎選手Bregovic的解釋是，有時候熱水比冷水先結冰的原因是這些情況下冷水放冰箱更趨近於過冷，熱水趨近於結冰，而且因為對流的原因熱水其實冷的也挺快的[12]。2011年，一篇名為《二十世紀十大科學騙局》的文章中表示，彭巴效應只是愚人節的產物[13]，該論點被很多文章和論文引用[14]。2013年，新加坡南洋理工大學表示，氫鍵在水溫高時較長，以延展儲蓄能量；遭遇低溫時迅速縮短，釋出能量冷卻故而造成彭巴效應[15]。但此文章是直接拿DFT計算出來的結果，並沒有直接的實驗證據。並且DFT是相當粗糙的計算方法。

2016年，英國倫敦帝國學院的物理學家亨利·伯里奇（Henry Burridge）和劍橋大學的數學家保羅·林登（Paul Linden）進行了彭巴效應的實驗驗證，由於其無法直接觀測凍結過程，改而測量水溫從初始溫度降至0℃所需的時間，最終他們發現其結果取決於溫度計在水中放置的位置：如果溫度計放置在相同深度，那麼冷熱水間不會出現彭巴效應；但如果溫度計放置的深度哪怕有1厘米的偏差，就可能會錯誤地「證實」彭巴效應[16]。兩人表示，彭巴效應不穩定的關鍵原因在於水在降溫的過程中是一個不穩定的非平衡系統[16]。
2017年，一項由盧至悅與美國馬里蘭大學化學與生物化學博士後研究員奧倫‧拉茲（Oren Raz）撰寫的發表於《美國國家科學院院刊》的研究表示，彭巴效應是一種非平衡態熱力學現象，並在馬爾可夫粒子動力學（英語：Dynamics of Markovian particles）的框架內提出了解釋理論，預測彭巴效應的冷凝「捷徑」有可能存在[17]，並表示彭巴效應並不僅局限於水[18]。
2020年8月，一份發表於《自然》期刊的論文顯示，加拿大西門菲莎大學物理學博士候選人艾比納許‧庫瑪（Avinash Kumar）和他的指導教授約翰‧貝契霍佛（John Bechhoefer）進行了一項研究，兩人利用一個裝滿水的大燒杯打造「熱熄」膠體系統（colloidal system）作為提供穩定溫度熱來源的熱庫，其利用1.5微米的小玻璃珠代替水分子，並根據機率分佈，從不同方向讓玻璃珠落入燒杯中數千次，每當玻璃珠墜落，研究人員便會利用光鑷進行虛擬勢能（virtual potential）側寫，改變機率分佈和該系統的溫度。隨著變因不同，研究人員觀察到熱水在特定情況下比冷水較快凝結的情況，在其中一次觀察中，熱玻璃珠在2毫秒的時間凝結，比冷玻璃珠還快上10倍。[19]

參考文獻

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  1. ^ Van Vu, Tan; Hayakawa, Hisao. Thermomajorization Mpemba Effect. Physical Review Letters. 2025-03-10, 134 (10). doi:10.1103/PhysRevLett.134.107101. 
  2. ^ 2.0 2.1 環球科學. 姆潘巴效应的严格证明. 微信公眾平台. 2025-03-12 [2025-03-13]. 
  3. ^ 3.0 3.1 Aristotle, Meteorology （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） I.12 348b31–349a4 （英文）"The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly…"
  4. ^ Francis Bacon, Novum Organum, Lib. II （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, （拉丁文）
  5. ^ Descartes, Les Meteores （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（法文）影像版
  6. ^ The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly
  7. ^ Physics Education, Volume 4, Issue 3, pp. 172-175 (1969) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/3/312 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  8. ^ 一碗冰淇淋惹出的大麻煩！熱水結冰比冷水快？ https://pansci.asia/archives/190853 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  9. ^ Debate heats up over claims that hot water sometimes freezes faster than cold. 2017-01-06 [2025-03-13]. （原始內容存檔於2025-02-09） （美國英語）. 
  10. ^ 10.0 10.1 科学家揭开有时热水冻结速度超过冷水之谜,科学网, 2010-03-29. [2015-01-25]. （原始內容存檔於2012-09-22）. 
  11. ^ Mpemba Competition （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Royal Society of Chemistry. 2012.
  12. ^ Winner of the Mpemba Competition （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Royal Society of Chemistry. 2013.
  13. ^ 20世紀的十大「科學騙局」 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），作者：吳學安，Science Times,圖片版 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  14. ^ 李強（編輯）一杯冷水和一杯熱水放入冰櫃中哪杯水先結冰?說明原因 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）中國學網
  15. ^ Mystery of why hot water freezes faster than cold is solved - and it's all down to the strange behaviour of atom bonds. [2014-07-22]. （原始內容存檔於2014-05-30）. 
  16. ^ 16.0 16.1 北京科協. 热水和冷水一起放进冰箱，为什么热水能先结冰？. 科普中國. 2022-07-18 [2025-03-13]. 
  17. ^ Lu, Zhiyue; Raz, Oren. Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2017-05-16, 114 (20) [2025-03-13]. ISSN 1091-6490. PMC 5441807 可免費查閱. PMID 28461467. doi:10.1073/pnas.1701264114. （原始內容存檔於2025-02-04）. 
  18. ^ We don’t know whether this is the effect in water or not. https://www.sciencenews.org/article/physics-new-experiment-hot-water-freeze-faster-cold-mpemba-effect3[失效連結]
  19. ^ Kumar, Avinash; Bechhoefer, John. Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature. 2020-08, 584 (7819) [2025-03-13]. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/s41586-020-2560-x. （原始內容存檔於2024-12-20） （英語）. 

外部連結

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