Mpemba效应：什么条件使热水比冷水结冰更快？

1963年，坦桑尼亚一位名叫埃拉斯托·姆彭巴(Erasto Mpemba)的小学生在做冰淇淋时注意到了一件奇怪的事情：热水有时结冰的速度比冷水还快。虽然姆彭巴并不是第一个对这一现象感到怀疑的人，但他的报告还是抓住了科学的想象力。自那以后，所谓的“姆彭巴效应”就一直备受争议--尤其是因为在冷冻一杯热水时复杂的相互作用矩阵，再加上水的许多反常现象，使得复制变得困难。

加拿大西蒙·弗雷泽大学(Simon Fraser University)的研究人员现在已经用一个简化的实验模型克服了这个问题，这个模型是一个热系统在较冷的热水浴中松弛到平衡的实验模型。据团队负责人John Bechhoefer称，他与博士生Avinash Kumar共同开发的技术使他们能够以可靠的方式复制Mpemba效应，从而有可能确定所需的精确条件。

姆彭巴效应的定义一直备受争议。它是与容器中的水开始结冰、完全结冰(这两种情况在实践中都很难准确观察)所需的时间有关，还是只是简单地达到冰点温度？使问题进一步复杂化的是，对于其他相变，在磁系统中也观察到了类似的效应。然而，这些系统虽然比水简单，但仍然太复杂，无法确定效果的精确参数。

Bechhoefer和Kumar的实验从一个烧杯的水开始，但他们不会改变水的实际温度。取而代之的是，他们在烧杯中从样本宽度的不同位置释放一个微小的玻璃珠数千次，这定义了他们实验的有效容器大小。他们释放珠子的位置是根据热力学和玻尔兹曼统计为系统选择的初始“温度”定义的概率分布来确定的。

当珠子落下时，它会受到水分子的轰击，导致布朗运动，但研究人员也使用反馈光学镊子系统对其进行了“虚拟电位分布”。这改变了珠子位置的概率分布--有效地改变了系统的“温度”。这个虚拟的势能剖面有两个凹点，与水的自由能景观的双势井一致：一个凹点是水可以在零下的温度下“过冷”成液态水，另一个是较低的凹点，在那里水结冰。通过测量设定时间后释放的珠子位置的概率分布，并确定该分布与平衡概率分布的差异有多大，研究人员获得了关于系统平衡速度的信息-类似于一杯水接近冰点温度的速度。

虽然这一切听起来可能比在冰盒里泡一杯水复杂得多，但Bechoefer说，这实际上让确定产生Mpemba效应所需的条件变得简单得多。这个想法源于对马里兰大学的一次访问，当时卢志岳和奥伦·拉兹正在为姆彭巴效应的简化模型研究一个理论框架。在访问期间，Lu和Raz给Bechhoefer打了纽扣孔，并说服他，他的专家反馈光学镊子系统-比常规光学镊子允许对虚拟潜在景观进行更精细、无衍射限制的控制-将是测试他们的模型的一个很好的方式。多亏了这个系统，Bechhoefer和Kumar可以处理有效宽度仅为0.4µm的样品，从而使实验运行速度更快。

Bechhoefer承认，他的团队的系统是一种“抽象的”和“几乎是几何的”方式来描绘Mpemba效应。尽管如此，他和库马尔还是能够识别出热的“初始温度”比冷的“初始温度”冷却得更快的参数。他说：“这在某种程度上表明，水和冰的所有特性-所有使最初的效果如此难以研究的东西-可能在某种程度上是外围的。”

尽管双电势阱在产生这种效应中起到了至关重要的作用，但Bechhoefer和Kumar发现仅有这一点还不足以触发它。该系统还需要两个潜在油井之间的屏障从它们之间的中点偏移。当到较深的井的距离大于到较浅的井的距离时，研究人员发现，珠子直接落入较深的井的起始位置(而不是首先进入较浅的井，然后晃动，直到布朗运动最终将其推入较深的井)更多。

虽然Mpemba效应不是典型的行为，但Bechhoefer和Kumar的研究表明，它并不局限于使其无法以可靠方式繁殖的特殊条件。Bechhoefer说：“这表明，在某些系统中，你不仅可以重复观察，而且可以在某种意义上创造、设计和控制效果。”

控制Mpemba效应也可能具有重要的实际意义，例如在保持电子产品冷却的散热系统中。卢和拉兹的理论研究还表明，供暖系统应该存在“反向姆彭巴效应”，贝赫霍费尔和库马尔着眼于在未来的实验中复制这一现象。

“这项工作扩展了Mpemba现象，”孙昌庆说，他在新加坡南洋理工大学的研究重点是与Mpemba效应有关的水的性质。然而，虽然Sun断言这项工作“肯定有助于了解一般的散热情况”，但他认为在将其应用于水时可能需要进一步谨慎。他补充说，在水中，“微观机制可能不同，比如水表面较高的热扩散率和较低的比热，以及氢键(O：H-O)能量交换的方式。”