原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報(bào)》2026年第7期科技新聞-深度報(bào)道

冰凍“怪現(xiàn)象”進(jìn)入量子尺度——水結(jié)冰時(shí)的反常現(xiàn)象在原子尺度上再現(xiàn)，或?yàn)榧夹g(shù)應(yīng)用打開(kāi)新空間

1963年的一個(gè)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(xué)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(xué)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(fā)現(xiàn)，日后將改寫(xiě)現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)熱力學(xué)過(guò)程的認(rèn)知。

將熱水潑入冷空氣中瞬間造雪是姆潘巴效應(yīng)的一種表現(xiàn)

（照片來(lái)源：《Science》）

姆潘巴隨后用水重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并不斷詢(xún)問(wèn)老師為何熱水比冷水凍結(jié)更快，但老師們不予理會(huì)。他并未氣餒，轉(zhuǎn)而請(qǐng)教坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)來(lái)訪(fǎng)的物理學(xué)家Denis Osborne。Osborne承諾回家親自驗(yàn)證。1969年，兩人合作發(fā)表經(jīng)典論文，Osborne將姆潘巴列為第一作者并報(bào)告該現(xiàn)象，宣稱(chēng)“任何問(wèn)題都不應(yīng)被嘲笑”。

事實(shí)證明，水僅是冰山一角。過(guò)去10年，科學(xué)家在眾多不同材料中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似“姆潘巴效應(yīng)”——從結(jié)晶聚合物到磁體。近期，該效應(yīng)更現(xiàn)身于量子領(lǐng)域，例如激光囚禁的單個(gè)離子。2026年3月25日，《Physical Review X》刊發(fā)的新理論框架將各類(lèi)姆潘巴效應(yīng)統(tǒng)一描述，闡釋了在每種情形下，初始狀態(tài)離平衡態(tài)越遠(yuǎn)的系統(tǒng)反而可能更快回歸穩(wěn)態(tài)。加拿大西蒙菲莎大學(xué)物理學(xué)家John Bechhoefer表示：“這些看似迥異的現(xiàn)象，實(shí)則遵循同一物理原理。”

時(shí)至今日，研究者仍在爭(zhēng)論姆潘巴效應(yīng)是否普遍適用于水。水恰恰是特別難研究的對(duì)象：其凍結(jié)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(xué)家在其他材料中觀(guān)察到更清晰的效應(yīng)跡象。例如，用于碳捕獲的籠形水合物（clathrate hydrates，水分子構(gòu)成的籠狀結(jié)構(gòu)）與3D打印所用聚乳酸塑料，經(jīng)高溫預(yù)處理后重結(jié)晶速度反而更快。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)磁學(xué)類(lèi)比現(xiàn)象：初始磁場(chǎng)更強(qiáng)的某些材料反而能更快退磁。愛(ài)爾蘭都柏林三一學(xué)院物理學(xué)家John Goold表示：“這顯然是種普適現(xiàn)象——無(wú)處不在。只要你開(kāi)始尋找，就能發(fā)現(xiàn)它。”

2017年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所Oren Raz與美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校盧至悅提出該效應(yīng)的普適數(shù)學(xué)解釋。他們繪制出簡(jiǎn)單粒子系統(tǒng)趨向平衡態(tài)的所有可能演化路徑，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)能探索更多通往目標(biāo)態(tài)的路徑。Raz表示：“系統(tǒng)可能找到令人意想不到的捷徑。一旦遠(yuǎn)離平衡態(tài)，我們基于日常經(jīng)驗(yàn)建立的直覺(jué)便完全失效。”

2020年，Bechhoefer及其同事通過(guò)水下滾動(dòng)的微觀(guān)玻璃珠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該解釋。他們測(cè)量了高溫與低溫玻璃珠在水下起伏地形中達(dá)到靜止所需時(shí)間，發(fā)現(xiàn)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(yīng)”——初始溫度更低的物質(zhì)反而升溫更快。

然而正當(dāng)科學(xué)家逐步揭示普通材料中姆潘巴效應(yīng)機(jī)制之際，該現(xiàn)象現(xiàn)身于全新領(lǐng)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(jì)算的丈夫Yotam Shapira合作。Raz建議這對(duì)夫婦在激光囚禁的單個(gè)離子中尋找姆潘巴效應(yīng)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(yīng)的明確案例。同期，中國(guó)另一團(tuán)隊(duì)在類(lèi)似系統(tǒng)中偶然發(fā)現(xiàn)常規(guī)姆潘巴效應(yīng)。

與此同時(shí)，法國(guó)巴黎-薩克雷大學(xué)Sara Murciano正研究量子系統(tǒng)受擾后磁場(chǎng)重排的數(shù)學(xué)模型。奇怪的是，初始磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)性越強(qiáng)，系統(tǒng)局部恢復(fù)對(duì)稱(chēng)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(fǎng)問(wèn)教授向她介紹了姆潘巴效應(yīng)。Murciano與奧地利實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，將12個(gè)囚禁離子鏈的磁自旋傾斜不同角度，計(jì)時(shí)其恢復(fù)原位時(shí)間，證實(shí)了預(yù)測(cè)。

2024年初，3支團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)布預(yù)印本，引發(fā)對(duì)量子姆潘巴效應(yīng)及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的廣泛關(guān)注。

Goold及其同事現(xiàn)已提出“統(tǒng)御一切的單一框架”，用于描述各類(lèi)經(jīng)典與量子姆潘巴效應(yīng)。他們借鑒量子信息論工具，以系統(tǒng)消耗特定資源的方式描述其演化過(guò)程。在每種情況下，達(dá)到目標(biāo)態(tài)需消耗更多特定資源（無(wú)論是溫度漲落還是磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)性）的系統(tǒng)，反而能更快達(dá)到目標(biāo)態(tài)。因遠(yuǎn)離平衡態(tài)極遠(yuǎn)的系統(tǒng)往往遵循不同規(guī)則，其特殊構(gòu)型可使通往平衡態(tài)的最慢路徑相互抵消，從而異常快速地消耗資源以更快達(dá)到平衡。Murciano評(píng)價(jià)：“他確實(shí)成功將一切納入同一理論框架。”

Bechhoefer表示，用統(tǒng)一語(yǔ)言描述這些效應(yīng)，有助于發(fā)現(xiàn)“若無(wú)此視角便難以察覺(jué)的現(xiàn)象”。此外，通往平衡態(tài)的捷徑不僅是自然奇觀(guān)；若科學(xué)家能識(shí)別引發(fā)姆潘巴效應(yīng)的初始條件，便可優(yōu)化各類(lèi)過(guò)程。

物理學(xué)家已開(kāi)始探索姆潘巴效應(yīng)如何提升冷熱調(diào)控方案效率。有研究者建議，通過(guò)控制成像探針溫度，該效應(yīng)或可改進(jìn)原子力顯微鏡；亦可輔助利用水結(jié)冰產(chǎn)生壓力制備陶瓷材料的技術(shù)。在量子領(lǐng)域，該效應(yīng)或有助于加速量子計(jì)算與量子態(tài)制備。Murciano表示：“迄今為止，我們致力于揭示物理本質(zhì)——為何、是否及何時(shí)發(fā)生。現(xiàn)在，我們必須將這一規(guī)律付諸應(yīng)用。”

巴西圣卡洛斯物理研究所物理學(xué)家Krissia Zawadzki表示，實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)絕非易事——需繪制系統(tǒng)所有可能演化路徑。然而，Zawadzki認(rèn)為，新一波姆潘巴革命即將來(lái)臨。其團(tuán)隊(duì)近期通過(guò)觀(guān)察液態(tài)氯仿溶液中原子核自旋弛豫過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了另一量子姆潘巴效應(yīng)。他們證明該效應(yīng)可被固態(tài)制冷機(jī)（如為冷卻量子計(jì)算芯片而設(shè)計(jì)的制冷機(jī)）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(dá)到特殊初始條件。此次演示清晰表明，在現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用姆潘巴效應(yīng)切實(shí)可行。”

Zawadzki認(rèn)為，姆潘巴的故事亦蘊(yùn)含更深層啟示：對(duì)自然奇觀(guān)保持基礎(chǔ)性好奇，往往能解鎖意想不到的深刻洞見(jiàn)，而這些洞見(jiàn)終將轉(zhuǎn)化為實(shí)際效益。她表示：“無(wú)論是更快冷卻冰淇淋，抑或提升量子技術(shù)效率，皆是如此。

文/Zack Savitsky

（譯自《科學(xué)》，2026，391（6792））（科技新聞欄目編輯 黃文光）

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