热的东西比冷的东西结冰得更快。现在,这个悖论已经变得量子化了

统一理论解释了从冰淇淋到原子的 Mpemba 效应——对更快的量子计算的影响

来源:Science Magazine

1963 年的一个下午,13 岁的 Erasto Mpemba 正在坦桑尼亚的 Magamba 中学制作冰淇淋。为了在冰箱里腾出空间,他趁着牛奶和糖的浆液还很热,把它塞进了里面——不像他的同学,他们事先把批次的牛奶和糖放在外面冷却。然而,在一次影响现代物理学进程的事件中,姆潘巴发现他的冰淇淋首先结冰了。

Mpemba 后来用水重复了这个实验,并不断询问他的老师为什么热液体比冷液体结冰得更快,但他们不予理睬。姆彭巴并没有被吓倒,他决定询问来自达累斯萨拉姆大学的物理学家丹尼斯·奥斯本。奥斯本答应回家亲自重复这个实验。在 1969 年发表的一篇现已成为经典的论文中,奥斯本(将 Mpemba 列为第一作者)报告了这一现象,并宣称“任何问题都不应该被嘲笑”。

事实证明,水只是冰山一角。在过去的十年中,科学家们在不同材料(从结晶聚合物到磁铁)中发现了类似的“姆潘巴效应”。最近,这种效应已经出现在量子领域,例如用激光悬浮的单个离子。现在,今天发表在《Physics Review X》上的一个新理论框架将各种 Mpemba 效应缝合在一起。它解释了在每种情况下,远离平衡的系统如何找到一条更快回到稳定状态的路径。 “所有这些你可能认为完全不同的效应实际上都是同一件事,”西蒙弗雷泽大学的物理学家约翰·贝赫霍费尔 (John Bechhoefer) 说。

时至今日,研究人员仍在争论姆潘巴效应对于水是否普遍成立。事实证明,水的研究特别困难:它的冻结条件取决于微小的差异,例如溶解气体的存在和容器的光滑度。