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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」

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]

試驗論證

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「一篇《二十世紀十大科學騙局》的文章，裡面提到彭巴效應只是愚人節的產物。」[10]這被很多文章和論文引用。[11]

據科學網2010年報道，紐約州立大學賓厄姆頓分校負責輻射安全的官員詹姆斯·布朗里奇撰文，認為這種現象可能與水中雜亂無章的雜質有關。[12]布朗里奇認為，雜亂無章的雜質才是導致熱水更快速凍結的關鍵因素。過去10年時間裡，他利用空閒時間進行了數百次有關彭巴效應的實驗，最終發現這種效應基於不穩定過度冷卻現象的證據。布朗里奇說「水幾乎從不在溫度降到零度時凍結，通常是在更低溫度下才開始凍結，也就是所說的過度冷卻現象。凍結點取決於水中與冰晶形成有關的雜質。通常情況下，水可能含有幾種類型雜質，其中包括塵粒、被溶解的鹽類以及細菌，每一種雜質都能在特定溫度下觸發凍結機關。核化溫度最高的雜質決定了水的凍結溫度。」 結晶動力學和雜質和晶種都有關係。用非常純淨的水（多次蒸餾並且過了非常細的半透膜去除雜質顆粒，或者直接使用MilliQ Water）並且容器乾淨沒有大劃痕的話水可以過冷並且不結冰。目前沒有報道有人以嚴格的條件重複此實驗。

熱傳導不能解釋所謂「彭巴效應」。熱水降溫當然快，但需要降低的溫度也更多。本身熱水需要一段時間才能達到冷水的溫度，才能到達冷水的「起跑線」。原命題對降溫速度和周圍溫差都未有定義，甚至很難構成一個完整的科學結論。一般來說，結晶速度未必是越低越快。過冷提供熱力學動力，同時需要一定溫度來提供動力學的晶鍾burst（從液態到若干納米的晶種是有活化能的）。該問題已在各種物質的Time-temperature-transformation diagrams有詳細研究。

2012年，一個叫英國皇家化學學會舉辦比賽[13]，嘗試解釋彭巴效應。頒獎典禮上問題發起者也提到了該實驗的重複性問題。獲獎選手Bregovic的解釋是，有時候熱水比冷水先結冰的原因是這些情況下冷水放冰箱更趨近於過冷，熱水趨近於結冰。而且因為對流的原因熱水其實冷的也挺快的。[14]

2013年新加坡南洋理工大學宣稱，氫鍵（hydrogen bonds）在水溫高時較長，以延展儲蓄能量；遭遇低溫時迅速縮短，釋出能量冷卻，造成彭巴效應[15]。但此文章是直接拿DFT計算出來的結果，並沒有直接的實驗證據。並且DFT是相當粗糙的計算方法。

參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Aristotle, Meteorology （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） I.12 348b31–349a4 （英文）"The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly…"
  2. ^ Francis Bacon, Novum Organum, Lib. II （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, （拉丁文）
  3. ^ Descartes, Les Meteores （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（法文）影像版
  4. ^ Physics Education, Volume 4, Issue 3, pp. 172-175 (1969) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/3/312 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  5. ^ 一碗冰淇淋惹出的大麻煩！熱水結冰比冷水快？ https://pansci.asia/archives/190853 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  6. ^ The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly
  7. ^ Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20), 5083-5088. doi: 10.1073/pnas.1701264114
  8. ^ Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x
  9. ^ We don’t know whether this is the effect in water or not. https://www.sciencenews.org/article/physics-new-experiment-hot-water-freeze-faster-cold-mpemba-effect3[失效連結]
  10. ^ 20世紀的十大「科學騙局」 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），作者：吳學安，Science Times,圖片版 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  11. ^ 李強（編輯）一杯冷水和一杯熱水放入冰櫃中哪杯水先結冰?說明原因 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）中國學網
  12. ^ 科学家揭开有时热水冻结速度超过冷水之谜,科学网, 2010-03-29. [2015-01-25]. （原始內容存檔於2012-09-22）. 
  13. ^ Mpemba Competition （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Royal Society of Chemistry. 2012.
  14. ^ Winner of the Mpemba Competition （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Royal Society of Chemistry. 2013.
  15. ^ Mystery of why hot water freezes faster than cold is solved - and it's all down to the strange behaviour of atom bonds. [2014-07-22]. （原始內容存檔於2014-05-30）. 

外部連結

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