彭巴效應
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所謂彭巴效應(Mpemba effect)的多種表述:
- 指在同等質量和同等冷卻環境下,溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。
- 亞里斯多德:「先前被加熱過的水,有助於它更快地結冰。」[1]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」
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亞里斯多德[1]、弗蘭西斯·培根[2]和笛卡爾[3]均曾以不同的方式描述過該現象,但是均未能引起廣泛的注意(注意亞里斯多德的描述與上述大不相同)。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,他和丹尼斯·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[4]。[5]
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。」[1][6]指的是被加熱過的(warmed)水,而非熱水或溫水(warm water)。
不管怎麼說所謂「彭巴效應」並沒有給出準確定義:並未給出熱水是幾度,冷水是幾度,容器的形狀,水的純度。甚至連結冰的定義都不明確:出現了可見的冰塊還是出現第一粒晶種?
實際的實驗的結果是:熱水有的時候結冰比冷水快,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。
盧至悅與美國馬里蘭大學(University of Maryland)化學與生物化學博士後研究員奧倫‧拉茲(Oren Raz)2017 年共同發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS USA)的研究,預測彭巴效應的冷凝「捷徑」有可能存在。[7]
為探究亞里斯多德的理論和超過半世紀的彭巴效應爭議,加拿大西門菲莎大學(Simon Fraser University)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),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」(heat bath)。
庫瑪在實驗中,利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子,並根據機率分佈(probability distribution),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(optical tweezers)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,庫瑪與貝契霍佛的研究結果 8 月 5 日發表於《自然》(Nature)期刊。[8]
目前任職於以色列魏茨曼科學研究學院(Weizmann Institute of Science)的拉茲表示,「很高興看到彭巴效應真的行得通」,但他謹慎地說,「我們不知道這是否為水的特性。」[9]