一碗冰淇淋惹出的大麻煩!熱水結冰比冷水快?半世紀爭議終於解開

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文/韻涵|以人文視角洞察科普,淺顯轉述科學奧義。這輩子離不開地球,只能遙望星空。

熱水結冰的速度,比冷水快嗎?這個看似簡單的問題,答案應該是「不會」(吧?)

然而,科學家超過半世紀以來,經過數千次實驗、觀察與辯證,今年8月終於有科學家利用最簡單的實驗設計,在密切控制的條件之下,證實等量的熱水會比等量的冷水還快結冰。

做冰淇淋搶快,意外發現爭議半世紀的有趣現象

這種反常現象被稱作「彭巴效應」(Mpemba effect),以 1963年觀察到此現象的東非國家坦尚尼亞的中學生艾拉斯托‧彭巴(Erasto Mpemba)姓氏命名。彭巴當時在學校烹飪課製作冰淇淋時,原本應要依老師指示將牛奶加糖煮滾,在室溫放涼後才倒入模具,再冰進冷凍庫。

然而,烹飪教室冰箱的冷凍庫空間有限,他的朋友有次看到他在加熱牛奶做冰淇淋,心急搶快,於是跳過煮牛奶的過程,直接將冰牛奶倒入模具,冰進冷凍庫。彭巴見狀,擔心自己搶不到為數不多的模具和冷凍空間,只好冒著把冰箱弄壞的風險,直接把熱牛奶送進冷凍庫。

彭巴懷著忐忑不安的心,約 1 個半小時後打開冰箱,赫然發現,他用熱牛奶做的冰淇淋,比他同學用冰牛奶做的冰淇淋還快凝固。

彭巴(左)與物理學教授奧斯伯恩。圖片嵌入自The Times

幾年後,彭巴就此提問物理學教授丹尼斯‧奧斯伯恩(Denis Osborne),奧斯伯恩很感興趣並著手做實驗,印證這種顛覆傳統思維的現象。隨後,奧斯伯恩與彭巴共同撰寫報告, 1969 年發表於《物理教育》(Physics Education)期刊。

這項不符合科學常理的研究刊出後,立刻掀起辯論,時至今日未歇。科學家議論不休的主因是,複製驗證「彭巴效應」實驗並不容易,受到許多不同的變因影響,諸如水的複雜性、煮沸及冷凝的過程不盡相同,甚至就連最終結果也有討論空間,例如所謂的熱水是剛開始滾的狀態呢?還是要完全煮沸?還是只要達到沸點就好?前述種種涉及時間的變化,因此彭巴效應實驗很難複製。

研究人員對於彭巴效應的成因和定義難以達成共識,遑論判斷彭巴效應是否真實存在。

玻璃珠代替水珠,加拿大學者印證彭巴效應

比彭巴再早一世紀,古希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle)曾於 2300多年前表示,如果要「讓熱水快一點涼,就要放到太陽底下」。

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)。

「熱熄」(thermal quench),又稱「熱淬滅」,是一種冷卻方法。

艾比納許‧庫瑪(Avinash Kumar)。圖片嵌入自smithsonianmag

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。

熱水急速冷卻過程,就像走登山捷徑

未參與研究的美國北卡羅萊納大學教堂山分校(UNC Chapel Hill)化學系助理教授盧至悅(Zhiyue Lu)說:「這是第一次,有如此乾淨俐落且完美控制的實驗,足以證明彭巴效應。」

如果以爬山形容熱水降溫的過程,可以想像山裡有許多通往相同終點的林道、蜿蜒小徑和捷徑等道路供登山客選擇;熱水急速冷卻的過程,可以想成登山者選擇走捷徑,不用翻山越嶺,迂迴於山巒之中,直達目的地。

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。

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。」

極低溫潑熱水變冰花煙火,並不是彭巴效應

水的現象較為複雜,涵蓋蒸發和過度冷卻(supercool)的可能,過度冷卻表示水在正常的凝固溫度時仍呈現液態。

幾年前,紅極一時的極低溫戶外潑熱水,經慢動作重播彷彿雪白冰花煙火的YouTube影片,曾被以彭巴效應解讀;不過,學者說明,這類影片大多在冷冽、乾燥的環境中拍攝,這樣的空氣條件有利水珠吸熱、蒸散,繼而使水珠溫度驟降,讓水分快速膨脹、汽化,與彭巴效應的蒸散面積相等條件有別。

除玻璃、水外,自然界還普遍存在彭巴效應?

美國維吉尼亞大學(University of Virginia)理論物理學家瑪麗亞‧武聖亞(Marija Vucelja)表示,西門菲莎大學研究的優點在其精簡,「研究方法利用非常簡單的設置,就足以顯現彭巴效應的豐富效果。」

武聖亞說,彭巴效應不僅能夠透過玻璃珠或水分子呈現,「或許在自然界中普遍地存在這種效應,只是我們沒有留意罷了。」

參考文獻  Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x 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 Mpemba E., & Osborne D. (1969). Cool?. Physics Education, 4(3), 172-175. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312 Phys.org  ScienceNews 跟著鄭大師玩科學 責任編輯:YP

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