科學人／突破性研究！熱水比冷水更快結冰的效應 在量子系統中也出現

情境示意图。图／Ingimage

2000多年前，亚里士多德观察到热水比冷水更快结冰的现象，这个称为彭巴效应（Mpemba effect）的现象至今依然令人费解。

近日由爱尔兰三一量子系统团队的古尔德（John Goold）教授于《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了一项突破性研究，证实这一奇特效应在量子物理领域中也有出现，并揭示了它在量子系统中的运作原理，为实验的可重复性提供充份的实验条件。

彭巴效应

彭巴效应是以坦尚尼亚学生彭巴（Erasto Mpemba）的名字命名。1963 年，彭巴在制作冰淇淋时意外发现，热冰淇淋混合物比冷混合物更快结冰，这一发现最初遭到教师与同学的嘲笑，认为他连最基本的热力学常识都没有。

幸运的是，彭巴说服了三兰港大学（University of Dar es Salaam，前身为东非大学）奥斯本教授（Denis Osborne）帮忙测试他所观察到的现象，最终确认了这种奇特的现象真的存在，并且共同发表相关的论文。

量子彭巴效应的突破：非平衡热力学与量子力学的结合

彭巴效应挑战了经典的牛顿冷却定律，即物体冷却速度应与其所处环境的温差成正比。虽然在宏观层面上，彭巴效应仍充满争议，但在微观世界中，这一现象有机会透过量子力学的观点而有所突破。

量子彭巴效应与古典的彭巴效应之间有何差别？量子力学与量子统计力学对微观世界的理解，让我们能构建一个更好的热力学框架来测试这一现象。

研究团队提供了一个生成量子彭巴效应的理论框架。他们发现，通过对量子系统进行特定的物理转变（即对系统加热），反而能以指数速度更快冷却。这种现象源于量子动力学中的独特特性，类似于在宏观层面观察到的彭巴效应，而其中的关键就在于要创造一个复数能量的量子态。

量子技术中的「快速冷却」

量子系统的稳定性与能否有效减少能量耗散息息相关，快速冷却对于量子技术更是影响甚深，特别是量子计算和量子通讯以及需要高速运算的人工智慧领域。古尔德教授表示，该团队已着手开发对热流与能量耗散最小化的工具，替未来量子冷却产业提供理论与技术支持。

量子世界中的「冷战」

这项研究为理解彭巴效应提供了新的诠释，促使我们重新思考热力学与量子力学的基本关系，也可以借此机会能想想「冷」（cool）和「冷却」（cooling）的含义。

或许随着更多实验团队进入这个领域，量子彭巴效应或将成为量子技术发展的关键课题，为热能管理与能源效率提供崭新的思路。

（本文出自2024.12.05《科学人》网站，未经同意禁止转载。）