炎热的夏天，如果你急着用冰，你会选择放冷水还是热水在冰箱里？常识告诉我们当然要用冷水。因为冷水的温度更低，会结冰更快。然而，几十年前，一个少年发现，在冰箱里，热...
炎热的夏天，如果你急着用冰，你会选择放冷水还是热水在冰箱里？常识告诉我们当然要用冷水。因为冷水的温度更低，会结冰更快。然而，几十年前，一个少年发现，在冰箱里，热水比冷水先结冰。这不仅颠覆了人们的认知，也引起了学术界长达半个世纪的争论。
热水可能比冷水结冰更快，这种广为流传的说法背后有一个有趣的故事。1963年，还在读中学的坦桑尼亚少年Erasto Mpamba和同学一起制作冰淇淋。为了抢占有限的冰箱空间，Mpamba没有像其他同学一样等牛奶冷却到室温，而是直接把刚煮好的热牛奶放进冰箱。一个半小时后，他发现自己的热牛奶已经冻成了冰淇淋，而和热牛奶一起放在冰箱里的冷牛奶还处于浓稠的奶糊状态。热牛奶怎么会比冷牛奶冻得快？姆潘巴非常困惑，于是他问了他的中学物理老师，但被告知:“你一定是弄错了，那不可能发生。”
带着这个疑问，Mpamba一直等到物理学家丹尼斯·奥斯本来到Mpamba的高中旁听物理课程。奥斯本一直记得那个少年举手问道:“如果你拿两个烧杯，分别盛等量的水，但一杯水是35℃，另一杯水是100℃，然后把两杯水一起放进冰箱，你会发现100℃的那杯水先结冰。为什么？”奥斯本乍一看并不相信，但出于好奇，他做了一个实验。随后奥斯本邀请姆潘巴在坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学研究这一现象，并将其命名为“姆潘巴效应”。
而Mpamba Osborn于1969年在《体育》杂志上发表了一篇文章，首次展示了Mpamba效应。然而奇怪的是，他们无法在后续实验中稳定地重复最初的实验结果。这引起了巨大的争议:实验失败是否意味着Mpamba效应不存在？还是因为实验太粗糙，没有考虑未知变量的影响？其实冷冻实验是很微妙的，任何一个微小的细节都有可能影响冷冻过程。
不平衡系统
在过去的几十年里，科学家们提出了许多理论来解释Mpamba效应。有人认为热水比冷水蒸发快，体积会比冷水小，所以能结冰更快；也有人认为冷水中溶解了更多的气体，所以冰点更低；还有人认为是外界因素在起作用:杯壁会在冰箱里凝结一层霜，可以阻止热量从冷水中逸出。但热水会不断融化这层霜，放出热量，更快降温结冰。
但是，所有这些解释都有一个前提Mpamba效应真的存在，热水确实比冷水结冰快。但并不是所有人都认同这个前提。
2016年，英国伦敦帝国理工学院的物理学家亨利·伯里奇和剑桥大学的数学家保罗·林登测试了Mpamba效应。由于无法直接观察冻结过程，伯里奇和林登测量了水温从初始温度降至0℃所需的时间。他们惊讶地发现，这个结果取决于温度计放在水中的什么位置:如果温度计放在相同的深度，冷热水之间就不会出现Mpamba效应；然而，如果温度计放在1厘米的深度，它可能会错误地“确认”Mpamba效应。
Burridge Linden的结果显示了冷冻实验的高灵敏度。虽然无法确定Mpamba效应是否存在，但它揭示了这种效应如此不稳定的关键原因:一杯水在快速冷却的过程中是一个不稳定的非平衡系统。
相比之下，常温下的水是处于热平衡的体系，可以用温度、体积、分子数三个参数来描述。如果你把这杯水放在冰箱里，你可以想象玻璃墙外侧附近的水分子是冷的，但玻璃内侧的水分子保持温暖。此时，杯中的液体已经不能用温度、压力等参数来清晰描述了，因为所有的参数都在不断变化，它变成了一个不稳定的非平衡系统。一直以来，物理学家对非平衡系统知之甚少。
奇怪的“捷径”
北卡罗来纳大学化学系助理教授陆志岳年轻时读到Mpamba效应时感到好奇。研究生阶段，学习非平衡态热力学后，他开始设计实验验证Mpamba效应。后来，鲁遇到了在以色列魏茨曼科学研究所研究非平衡统计物理的柳文欢·拉兹。他们一起设计了一个理论框架来研究Mpamba效应。
2017年，卢和拉兹在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇文章。通过随机粒子动力学模拟，他们发现在某些特定条件下，Mpamba效应和逆Mpamba效应(例如冷水升温比热水快)都可能发生。结果表明，较热系统中的粒子具有更多的能量，因此可以尝试更多的温度变化路径，其中包括一条“捷径”:在冷却过程中，热系统可以通过捷径超越冷系统，更快地达到最终状态。
“我们都理所当然地认为温度变化是线性的——要么上升，要么下降，”拉兹说。“系统总是从高温到中温，然后再到低温。但是用温度来描述非平衡系统是一种谬误。这样一来，出现‘奇怪的捷径’就不足为奇了。”
2019年，美国弗吉尼亚大学统计物理学家Marija Vucelja和Raz提出了理论预测:Mpamba效应可能发生在大多数无序材料(材料中的分子呈非周期性排列)中，比如玻璃。理论预测的范围很广，包括各种材料。但是，水不是无序物质，超出了这个理论的解释范围。
“能源景观”的风景
为了检验这些理论预测，拉兹和卢找到了实验物理学家约翰·贝·希霍夫。Shikhov和他的合作者Avinash Kumar提出了一个巧妙的实验方案。他们选择了微小的玻璃珠(显微镜下可见)而不是系统中的微观粒子，并使用激光创建了一个W形的“能量景观”。W形中的深谷代表系统最终的稳定平衡状态；另一个浅谷代表系统的亚稳态，更接近最终平衡态，因为粒子可能会落入其中，但最终更有可能落入更深的谷。
他们把“能量景观”放入水中，玻璃珠可以摆脱重力，自由移动。然后，他们将玻璃珠放置在能量景观的不同位置，重复实验1000次，统计1000次的观测结果。这样，一千个单粒子的系统就相当于一个包含一千个粒子的系统。
研究人员将玻璃珠放置在能源景观的任何地方，以模拟最初的热系统。因为热系统包含了更多的能量，所以粒子可以更积极地在能量景观中四处游荡和探索。在模拟冷系统时，需要将玻璃珠的初始位置限制在深谷附近的区域。在模拟冷却过程时，玻璃珠会先沉入其中一个山谷，然后在水分子的扰动下在两个山谷间来回跳跃。当玻璃珠在各谷停留时间的比例稳定时，可以判断其已经完成冷却过程。根据玻璃珠所处环境的水温和能量景观的不同，判断降温是否完成的标准也不同。例如，通过20%的时间进入亚稳态，80%的时间进入稳定态，可以判断颗粒已经完成冷却。
在某些初始条件下，热系统比冷系统冷却得更慢，这符合我们的直觉。但有时，热力系统中的粒子会更快地沉入山谷。当适当调整实验参数时，热系统中的粒子几乎立即达到所需的冷却完成状态，比冷系统快得多——Raz和Vucelja早已预言了这一现象，并将其命名为Jumpampa效应。2020年，他们在《自然》杂志上发表了这一成果。今年年初，他们在《美国国家科学院院刊》上发表了一项关于逆pampa效应的实验研究。
“结果非常清楚，”西班牙格拉纳达大学的劳尔·里卡·阿拉尔孔说，他正在做与姆潘巴效应有关的实验。“这些研究都表明，离目标状态越远的系统越快达到目标状态是有可能的。”
待定水
Shikhov的实验提供了一个解释——亚稳态系统中可能出现Mpamba效应。但这是唯一的解释吗？其他物质如何经历非平衡加热和冷却过程，会有Mpamba效应吗？这些问题至今仍未解决。甚至水中是否存在Mpamba效应也是一个悬而未决的问题。
“了解系统从非平衡态弛豫到平衡态的过程是一个非常重要的课题。但坦率地说，到目前为止我们还没有一个好的理论体系。”拉兹说。判断哪些系统，如Mpamba效应，可能以反直觉的方式运行“将有助于我们更好地理解系统的弛豫过程。”
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