如果小編問(wèn)大家：“熱水和冷水哪個(gè)結(jié)冰更快？”南方的同學(xué)可能不約而同的選擇冷水。
北方的同學(xué)就笑了，這是生活常識(shí)：答案是熱水！但是為什么呢？
【冰淇淋中發(fā)現(xiàn)的“Mpemba效應(yīng)”】
1963年的一天，坦桑尼亞的一所中學(xué)里一群學(xué)生準(zhǔn)備做冷凍食品。一名叫埃拉斯托·姆潘巴的學(xué)生在熱牛奶里加了糖，準(zhǔn)備放進(jìn)冰箱里做冰淇淋。他覺(jué)得等熱牛奶冷了后再放進(jìn)冰箱，其他同學(xué)就會(huì)把冰箱裝滿，于是他把熱牛奶直接放進(jìn)冰箱。等他打開(kāi)冰箱后，他驚奇的發(fā)現(xiàn)只有自己的杯子里變成了美味的冰淇淋，而其他同學(xué)用冷水做的還沒(méi)有結(jié)冰。于是，姆潘巴告訴達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理學(xué)教授奧斯本博士關(guān)于這一特殊現(xiàn)象。尊重科學(xué)的奧斯本又進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果完全符合姆潘巴的描述。這無(wú)疑證實(shí)了熱水在低溫下比冷水結(jié)冰快。從那時(shí)起，世界上許多科學(xué)期刊都介紹了這種自然現(xiàn)象，并將其命名為“姆潘巴現(xiàn)象”。
【如何科學(xué)驗(yàn)證？】
事實(shí)上對(duì)于Mpemba效應(yīng)，這是一種違反直覺(jué)的現(xiàn)象，在一定條件下，熱水比冷水更快結(jié)冰。但是，已經(jīng)報(bào)到的研究這一現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，由于水結(jié)冰過(guò)程的復(fù)雜性而變得混亂不堪，使得研究結(jié)果難以重現(xiàn)，也使得科學(xué)家對(duì)造成這一現(xiàn)象的原因、如何定義這一現(xiàn)象以及這一現(xiàn)象是否真的存在等問(wèn)題上存在分歧。
近日，為了避免體系的復(fù)雜性，西蒙弗雷澤大學(xué)的John Bechhoefer教授團(tuán)隊(duì)用直徑1.5微米的小玻璃珠代替水做研究對(duì)象，研究人員根據(jù)冷卻速度而不是更復(fù)雜的冷凍過(guò)程來(lái)定義Mpemba效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，高溫物體比低溫物體冷卻得更快。當(dāng)我們對(duì)物體冷卻到一定溫度時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)溫度較高的系統(tǒng)比溫度較低的系統(tǒng)冷卻的時(shí)間要短。在某些情況下，這種高溫加速甚至是指數(shù)級(jí)的。該研究以題為“Exponentially faster cooling in a colloidal system”發(fā)表在頂級(jí)期刊Nature上。
【Mpemba效應(yīng)的再定義】
研究人員用三個(gè)溫度Th>Tw>Tc來(lái)定義Mpemba效應(yīng)，在這三個(gè)溫度下，系統(tǒng)從熱態(tài)冷卻到冷態(tài)的時(shí)間比從中間熱態(tài)冷卻到相同冷態(tài)的時(shí)間Tw短。在上述定義中，Th表示高溫系統(tǒng)的初始狀態(tài)，Tw表示低溫系統(tǒng)的初始狀態(tài)，Tc表示熱浴溫度。 在這樣的定義下，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在完全可控的條件下，證明從Th冷卻到Tc所需的時(shí)間，比從Tw冷卻到Tc的時(shí)間更短。
【實(shí)驗(yàn)方法】
在實(shí)驗(yàn)中，他們使用了直徑僅為1.5微米的小玻璃珠來(lái)代表水分子。然后通過(guò)設(shè)定參數(shù)，選擇在不同的條件下將數(shù)千個(gè)小玻璃珠投入一個(gè)充當(dāng)熱浴的燒杯中。當(dāng)每一顆玻璃珠落下時(shí)，他們會(huì)使用光鑷對(duì)玻璃珠施加作用力；與此同時(shí)，玻璃珠在這一過(guò)程中也會(huì)在熱浴中得到冷卻。從玻璃珠在相應(yīng)的作用力下做的運(yùn)動(dòng)，研究人員可以計(jì)算出玻璃珠的實(shí)效溫度。事實(shí)上，由于微珠的空間尺寸小，能壘低，能迅速與熔池平衡（?0.1s）。然后可以輕松地進(jìn)行幾千次試驗(yàn)，形成一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中可以精確測(cè)量平衡態(tài)和非平衡態(tài)的溫度。
為了更進(jìn)一步地研究系統(tǒng)是如何冷卻的，本文中研究人員追蹤了玻璃珠在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。他們測(cè)量了玻璃珠從Th或Tw冷卻到Tc的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在有的設(shè)定下，初始溫度為Th的玻璃珠冷卻得比初始溫度為Tw的玻璃珠快得多。比如在特定的條件設(shè)定下，從Th冷卻到Tc只需2毫秒的時(shí)間，而從Tw冷卻到Tc則需要20毫秒以上的時(shí)間。
【非對(duì)稱區(qū)域的Mpemba效應(yīng)】
按照傳統(tǒng)的理論，高溫物體首先要冷卻到低溫物體的溫度，然后就能和低溫物體一樣冷卻到指定的溫度，這意味著高溫物體冷卻時(shí)間要更長(zhǎng)。但在某些情況下，這種簡(jiǎn)單的邏輯是錯(cuò)誤的，特別是對(duì)于不處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，它的行為不再僅僅以溫度為特征。當(dāng)珠子冷卻時(shí)，它們并沒(méi)有處于熱平衡狀態(tài)，這意味著它們?cè)趧?shì)能分布上的位置并不允許用單一溫度來(lái)描述它們。
對(duì)于這樣的系統(tǒng)，沒(méi)有從熱到冷的直接路徑，而是有多條到冷的路徑，這就允許了潛在的捷徑。對(duì)于珠子來(lái)說(shuō)，根據(jù)勢(shì)能的分布，從較高的溫度開(kāi)始，意味著它們可以更容易地重新排列成與較低溫度相匹配的結(jié)構(gòu)。
【未來(lái)何方？】
特定系統(tǒng)的詳細(xì)理論可以解釋給定系統(tǒng)中的重要現(xiàn)象，例如，添加劑如何增加水中可達(dá)到的過(guò)冷度，幫助昆蟲(chóng)在亞冷凍溫度下存活，應(yīng)用的一般理論則表明，在各種環(huán)境和材料中，類似行為是如何產(chǎn)生的。在這里，作者利用他們對(duì)Mpemba效應(yīng)現(xiàn)象學(xué)的理解來(lái)識(shí)別實(shí)驗(yàn)參數(shù)的特殊組合，其中a2系數(shù)消失（強(qiáng)Mpemba效應(yīng)），對(duì)應(yīng)于指數(shù)更快的冷卻。最近的一個(gè)理論表明，初始冷卻實(shí)際上可以使加熱時(shí)間成倍地加快。事實(shí)上，尋找這種反向Mpemba效應(yīng)仍然是一個(gè)誘人的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。更廣泛地說(shuō)，熱松弛和散熱仍然是重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，它們限制了微處理器和其他集成電路的性能。將類似Mpemba的效應(yīng)應(yīng)用到技術(shù)相關(guān)的材料中，可能會(huì)提供新的重要策略，以快速地從局部熱源中去除熱量。
