姆潘巴现象
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所谓姆潘巴现象(Mpemba effect)的多种表述:
- 指在同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。
- 亚里士多德:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。”[1]可理解为“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较,加热过的水更快结冰”
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亚里士多德[1]、弗兰西斯·培根[2]和笛卡尔[3]均曾以不同的方式描述过该现象,但是均未能引起广泛的注意(注意亚里士多德的描述与上述大不相同)。1963年,坦桑尼亚的一位中学生埃拉斯托·姆潘巴(英语:Erasto B. Mpemba)在制作冰淇淋时,发现热牛奶经常比冷牛奶先结冰。1969年,他和丹尼斯·奥斯伯恩(英语:Denis G. Osborne)博士就此现象共同撰写了一篇论文,因此该现象便以其名字命名[4]。[5]
也有人说亚里士多德描述的可能不是姆潘巴现象。书中的原话是:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。”[1][6]指的是被加热过的(warmed)水,而非热水或温水(warm water)。
不管怎么说所谓“姆潘巴现象”并没有给出准确定义:并未给出热水是几度,冷水是几度,容器的形状,水的纯度。甚至连结冰的定义都不明确:出现了可见的冰块还是出现第一粒晶种?
实际的实验的结果是:热水有的时候结冰比冷水快,大部分时间还是冷水快。因为实际结晶动力学的复杂性,和过冷过程的不确定性,冷水过冷没结冰热水没过冷直接结冰了的情况也是会发生的。
卢至悦与美国马里兰大学(University of Maryland)化学与生物化学博士后研究员奥伦‧拉兹(Oren Raz)2017 年共同发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS USA)的研究,预测姆潘巴现象的冷凝“捷径”有可能存在。[7]
为探究亚里士多德的理论和超过半世纪的姆潘巴现象争议,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,库玛与贝契霍佛的研究结果 8 月 5 日发表于《自然》(Nature)期刊。[8]
目前任职于以色列魏茨曼科学研究学院(Weizmann Institute of Science)的拉兹表示,“很高兴看到姆潘巴现象真的行得通”,但他谨慎地说,“我们不知道这是否为水的特性。”[9]