冰凍“怪現象”進入量子尺度 | 深度報道

原文發表于 《科技導報》2026年第7期科技新聞-深度報道

冰凍“怪現象”進入量子尺度——水結冰時的反常現象在原子尺度上再現，或為技術應用打開新空間

1963年的一個午后，13歲的坦桑尼亞少年埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）在馬甘巴中學制作冰淇淋。為搶占冰箱空間，他將滾燙的牛奶糖漿直接放入冷凍室，而同學們則先將混合物靜置冷卻。出乎意料的是，他的冰淇淋竟最先凝固——這一偶然發現，日后將改寫現代物理學對熱力學過程的認知。

將熱水潑入冷空氣中瞬間造雪是姆潘巴效應的一種表現

（照片來源：《Science》）

姆潘巴隨后用水重復實驗，并不斷詢問老師為何熱水比冷水凍結更快，但老師們不予理會。他并未氣餒，轉而請教坦桑尼亞達累斯薩拉姆大學來訪的物理學家Denis Osborne。Osborne承諾回家親自驗證。1969年，兩人合作發表經典論文，Osborne將姆潘巴列為第一作者并報告該現象，宣稱“任何問題都不應被嘲笑”。

事實證明，水僅是冰山一角。過去10年，科學家在眾多不同材料中發現了類似“姆潘巴效應”——從結晶聚合物到磁體。近期，該效應更現身于量子領域，例如激光囚禁的單個離子。2026年3月25日，《Physical Review X》刊發的新理論框架將各類姆潘巴效應統一描述，闡釋了在每種情形下，初始狀態離平衡態越遠的系統反而可能更快回歸穩態。加拿大西蒙菲莎大學物理學家John Bechhoefer表示：“這些看似迥異的現象，實則遵循同一物理原理。”

時至今日，研究者仍在爭論姆潘巴效應是否普遍適用于水。水恰恰是特別難研究的對象：其凍結條件取決于微小差異，例如溶解氣體的存在與否及容器表面光滑度。

但科學家在其他材料中觀察到更清晰的效應跡象。例如，用于碳捕獲的籠形水合物（clathrate hydrates，水分子構成的籠狀結構）與3D打印所用聚乳酸塑料，經高溫預處理后重結晶速度反而更快。科學家還發現磁學類比現象：初始磁場更強的某些材料反而能更快退磁。愛爾蘭都柏林三一學院物理學家John Goold表示：“這顯然是種普適現象——無處不在。只要你開始尋找，就能發現它。”

2017年，以色列魏茨曼科學研究所Oren Raz與美國北卡羅來納大學教堂山分校盧至悅提出該效應的普適數學解釋。他們繪制出簡單粒子系統趨向平衡態的所有可能演化路徑，發現遠離平衡態的系統能探索更多通往目標態的路徑。Raz表示：“系統可能找到令人意想不到的捷徑。一旦遠離平衡態，我們基于日常經驗建立的直覺便完全失效。”

2020年，Bechhoefer及其同事通過水下滾動的微觀玻璃珠實驗驗證了該解釋。他們測量了高溫與低溫玻璃珠在水下起伏地形中達到靜止所需時間，發現部分高溫珠反而比低溫珠更快靜止。他們還利用該裝置演示了“逆姆潘巴效應”——初始溫度更低的物質反而升溫更快。

然而正當科學家逐步揭示普通材料中姆潘巴效應機制之際，該現象現身于全新領域：原子的量子世界。

2023年，Raz的博士生Sha‐haf Aharony Shapira希望與研究量子計算的丈夫Yotam Shapira合作。Raz建議這對夫婦在激光囚禁的單個離子中尋找姆潘巴效應跡象。令他們驚訝的是，低溫離子升溫速度反而快于高溫離子——這是逆姆潘巴效應的明確案例。同期，中國另一團隊在類似系統中偶然發現常規姆潘巴效應。

與此同時，法國巴黎-薩克雷大學Sara Murciano正研究量子系統受擾后磁場重排的數學模型。奇怪的是，初始磁場不對稱性越強，系統局部恢復對稱的速度反而越快。她困惑不已，懷疑代碼存在漏洞——直到一位訪問教授向她介紹了姆潘巴效應。Murciano與奧地利實驗團隊合作，將12個囚禁離子鏈的磁自旋傾斜不同角度，計時其恢復原位時間，證實了預測。

2024年初，3支團隊相繼發布預印本，引發對量子姆潘巴效應及其內在關聯的廣泛關注。

Goold及其同事現已提出“統御一切的單一框架”，用于描述各類經典與量子姆潘巴效應。他們借鑒量子信息論工具，以系統消耗特定資源的方式描述其演化過程。在每種情況下，達到目標態需消耗更多特定資源（無論是溫度漲落還是磁場不對稱性）的系統，反而能更快達到目標態。因遠離平衡態極遠的系統往往遵循不同規則，其特殊構型可使通往平衡態的最慢路徑相互抵消，從而異常快速地消耗資源以更快達到平衡。Murciano評價：“他確實成功將一切納入同一理論框架。”

Bechhoefer表示，用統一語言描述這些效應，有助于發現“若無此視角便難以察覺的現象”。此外，通往平衡態的捷徑不僅是自然奇觀；若科學家能識別引發姆潘巴效應的初始條件，便可優化各類過程。

物理學家已開始探索姆潘巴效應如何提升冷熱調控方案效率。有研究者建議，通過控制成像探針溫度，該效應或可改進原子力顯微鏡；亦可輔助利用水結冰產生壓力制備陶瓷材料的技術。在量子領域，該效應或有助于加速量子計算與量子態制備。Murciano表示：“迄今為止，我們致力于揭示物理本質——為何、是否及何時發生。現在，我們必須將這一規律付諸應用。”

巴西圣卡洛斯物理研究所物理學家Krissia Zawadzki表示，實現此目標絕非易事——需繪制系統所有可能演化路徑。然而，Zawadzki認為，新一波姆潘巴革命即將來臨。其團隊近期通過觀察液態氯仿溶液中原子核自旋弛豫過程，發現了另一量子姆潘巴效應。他們證明該效應可被固態制冷機（如為冷卻量子計算芯片而設計的制冷機）利用，使其制冷能力提升約10%。Zawadzki表示：“原則上我們已知如何達到特殊初始條件。此次演示清晰表明，在現實世界應用姆潘巴效應切實可行。”

Zawadzki認為，姆潘巴的故事亦蘊含更深層啟示：對自然奇觀保持基礎性好奇，往往能解鎖意想不到的深刻洞見，而這些洞見終將轉化為實際效益。她表示：“無論是更快冷卻冰淇淋，抑或提升量子技術效率，皆是如此。

文/Zack Savitsky

（譯自《科學》，2026，391（6792））（科技新聞欄目編輯 黃文光）

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