Nature：热水先结冰，还是冷水先结冰？
发布者：刘德桃发布时间：2022-08-19浏览次数：10
·Mpemba效应的原因，即热水在冷水之前结冰，一直是物理学中的一个谜·当温度不均匀时，局部加热的物质可以迅速转变为较冷的状态·如果 Mpemba 效应可以应用于真实的热系统，就会发生温度应用革命论文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2560-x
这种违反人类直觉且神秘的现象早在 2300 年前由亚里士多德首次提及。在他的书中，他写道，“要快速冷却水，你应该先把它放在阳光下。” 不过，亚里士多德也留下了现代难以接受的，不太科学的描述，比如“鳗鱼生于泥土”，“温水先结冰”这种话作为圣贤的迷之言论，早已被人遗忘。然而，1963年，来自坦桑尼亚姆彭巴的一名13岁男孩发现热水比冷水结冰的速度更快，并在学校展示了他的研究成果。起初，该声明受到全校师生的嘲笑，但当一位著名物理学家证明 Mpemba 的说法是正确的时，情况发生了变化。热物体比冷物体冻结得更快的现象（称为Mpemba效应）至今仍是物理学中的一个巨大谜团。另外，一篇《二十世纪十大科学骗局》的文章，里面提到Mpemba 效应只是愚人节的产物。”这被很多文章和论文引用。为探究亚里士多德的理论和超过半世纪的Mpemba 效应争议，加拿大西门菲莎大学（Simon Fraser University）物理学博士候选人艾比纳许‧库玛（Avinash Kumar），和他的指导教授约翰‧贝契霍佛（John Bechhoefer），两人利用一个装满水的大烧杯打造“热熄”胶体系统（colloidal system）作为提供稳定温度热来源的“热库”（heat bath）。库玛在实验中，利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子，并根据几率分布（probability distribution），从不同方向让玻璃珠落入烧杯中数千次，每当玻璃珠坠落，研究人员便会利用光镊（optical tweezers）进行虚拟势能（virtual potential）侧写，改变几率分布和该系统的温度。随着变因不同，研究人员观察到热水在特定情况下比冷水较快凝结的情况，在其中一次观察中，热玻璃珠在 2 毫秒的时间凝结，比冷玻璃珠还快上 10 倍。该研究已发表在世界上最负盛名的学术期刊《nature》上。自从发现姆彭巴效应以来，人们进行了各种实验，发现热物体比冷物体冷却得快的现象不仅存在于水中，还存在于磁系统、笼形水合物、聚合物、纳米管谐振器中。因此，研究人员认为，如果他们能够在比水或聚合物更简单的系统中重现 Mpemba 效应，他们就会更接近于理解它。具体而言，他们将小玻璃珠子视为水分子，用激光加热珠子，然后用水冷却，观察珠子内部能量（电位）下降的过程。结果发现，小珠子上也出现了Mpemba 效应。换句话说，能够确认加热到高温的珠子在冷却水中比加热到低温的珠子冷却得更快(图1)。此外，在某些条件下，热玻璃珠子的冷却速度比温玻璃珠快得多，有时以指数速率冷却。例如，一个温玻璃珠子需要 接近20 毫秒冷却，而热珠只需要 2 毫秒冷却到相同的温度(图2，α＝3时)。图2.当珠子内的温度均匀性最佳时，Mpemba 效应最大化，α越大温度分布差越大结果，他们发现“热的物体必须先变温才能冷却”的直觉常识并不一定适用于现实世界中的“不均匀冷却”。而当这种不均匀的冷却发生时，他们还发现了一种现象，即高温部分局部重新排列成与低温相匹配的结构。这意味着高能区可以在不均匀冷却的情况下迅速转变为低能分子结构，这意味着可以走捷径。研究人员将这个奇怪的结果比作搭便车(Pick up)。也就是说，视情况而定，从远处出发的搭便车者比从附近出发的搭便车者可以更快到达目的地的现象。在这种情况下，必须经过的距离的长短并不一定决定了到达的时间，各种因素交织在一起产生了结果。（这里就是问题描述中文化差异的部分了，也就是除了路程这个factor外，速度以及别的因素也左右着最后谁能首先达到目的地。）同样，“原始温度”不一定是由热变冷的决定因素，其他因素的介入也会影响结果。对于这些其他因素，研究人员认为，液体和固体等物质的状态，最初是由具有多个内部自由度（由多个因素组成）的状态叠加形成的。强烈影响，即使温度很高，物体也会从液体冷却到固体。看来，熟悉的冷却现象并不是一个只能用温度来解释的简单现象。因此，我们可能不得不准备接受固-液-气相变不仅仅取决于温度的“新常态”。这是因为最新的理论已经开始表明存在逆 Mpemba 效应，在这种效应中，较冷的物体升温更快。如果我们能够将“热的先降温”和“冷的先升温”的现象融入现有的处理热量的系统（空调、发电机等）中，将会带来一场温度革命，将发生巨大的变化我们的生活。
