一項新的實驗暗示熱水比冷水冷凍得更快

2021-01-09 每天一點純數學

對微小玻璃珠的研究表明，Mpemba效應是真實的

有時熱水比冷水凍結得快。一項基於微小玻璃珠的新實驗可能有助於解釋原因。

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在物理學中，放鬆並不像看起來那樣簡單。

一項新的研究發現，熱的物體比熱的物體冷卻得更快。冷卻後，較之較冷的系統達到相同的低溫，較冷的系統在較短的時間內冷卻下來。物理學家在8月6日的《自然》雜誌上報告說，在某些情況下，加速甚至是指數級的。

該實驗的靈感來自Mpemba效應的報導，這是一種與直覺相反的觀察，即熱水有時比冷水凝固得更快。但是研究這種現象的實驗由於水的複雜性和冷凍過程而變得混亂，使結果難以再現，並使科學家們對造成這種影響的原因，如何定義以及甚至是真實的存在分歧（SN：1/6 / 17）。

為了避免這些複雜性，加拿大本那比的西蒙·弗雷澤大學的西蒙·弗雷澤大學的Avinash Kumar和John Bechhoefer都使用了直徑為1.5微米的微小玻璃珠來代替水。研究人員根據冷卻而不是更複雜的冷凍過程定義了Mpemba效應。

結果：「這是第一次可以說是一個乾淨，完全受控的實驗，可以證明這種效果。」北卡羅來納大學教堂山分校的理論化學家陸志悅說。

在實驗中，一個珠子代表一個水分子的當量，並且在給定的一組條件下進行了1000次測量，以生成「分子」的集合。雷射在每個珠子上施加力，產生能量或勢能。同時，將珠粒在水浴中冷卻。組合試驗中珠子的有效「溫度」可以從它們如何穿越能量分布，響應於雷射施加的力而移動而得出。

為了研究系統如何冷卻，研究人員追蹤了珠子隨時間的運動。珠子開始於高溫或中等溫度，研究人員測量了珠子冷卻到水溫需要多長時間。在某些條件下，較熱的珠子比較冷的珠子冷卻得更快，有時甚至快得多。在一種情況下，較熱的珠子在約兩毫秒內冷卻，而較冷的珠子花了10倍的時間。

在一項新的實驗中（由研究員Avinash Kumar展示），雷射對微小的玻璃珠施加了作用力，以證明熱的珠子系統比冷卻的珠子系統冷卻得更快。Prithviraj Basak

假設較低的啟動溫度將提供無法克服的領先優勢，這似乎是明智的。在直接通過溫度計進行的競賽中，高溫物體首先必須達到溫暖物體的原始溫度，這表明較高的溫度只會增加冷卻時間。

但是在某些情況下，這種簡單的邏輯是錯誤的-特別是對於未處於熱平衡狀態的系統（在該狀態下，所有部件均達到均勻的溫度）。對於這樣的系統，「其行為不再僅僅由溫度來表徵，」 Bechhoefer說。材料的行為太複雜，以至於無法用單個數字來描述它。當珠子冷卻時，它們沒有達到熱平衡，這意味著它們在勢能圖中的位置沒有以允許單個溫度描述它們的方式分布。

對於這樣的系統，不是從熱到冷的直接路徑，而是可能有多個通向寒冷的路徑，從而可能存在捷徑。對於珠子而言，取決於風景的形狀，從較高的溫度開始意味著它們可以更輕鬆地將自己重新排列為與較低溫度匹配的配置。這就像遠足者如何通過更遠的起點更快地到達目的地，如果該起點允許遠足者避免艱苦的爬過山。

盧和物理學家奧倫·拉茲（Oren Raz）此前曾預測，這種冷卻捷徑是可能的。以色列Rehovot的魏茲曼科學研究所的Raz說：「看到它確實有效，真是太好了。」 但是，他指出，「我們不知道這是否在水中起作用。」

水更為複雜，包括水中的怪異現象，蒸發和過冷的可能性，其中水在低於正常冷凍溫度（SN：3/23/10）時呈液態。

但是，夏洛茨維爾維吉尼亞大學的理論物理學家Marija Vucelja說，這項研究的簡單性是其美麗的一部分。「這是這些非常簡單的設置之一，並且已經足夠豐富以顯示這種效果。」 這表明姆彭巴效應可能超出玻璃珠或水。「我想這種效果在自然界中可能會在其他地方普遍出現，只是我們沒有對此加以注意。」

這篇文章的版本出現在2020年9月12日的《科學新聞》上。

引文

A. Kumar and J. Bechhoefer. Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature. Vol 584, August 6, 2020, p. 64. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x.

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