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

• 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。

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。

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 

1. Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x
2. 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
3. Mpemba E., & Osborne D. (1969). Cool?. Physics Education, 4(3), 172-175. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312
4. Phys.org 
5. ScienceNews
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