科學家破解「姆潘巴效應」之謎：熱水竟比冷水更快結冰？

科學界終於揭開了「姆潘巴效應」的神秘面紗。這個違反直覺的現象，指的是在相同條件下，溫度較高的系統反而比溫度較低的系統更快冷卻。早在兩千多年前，亞里斯多德就曾記載過這種奇特現象，但直到1963年才由坦尚尼亞學生姆潘巴（Erasto Mpemba）在學校烹飪課製作冰淇淋時重新發現。

姆潘巴後來與英國物理學家奧斯本（Denis Osborne）共同發表論文，首次以科學方法記錄了水中的這種效應。後續研究更發現，姆潘巴效應不僅存在於水或簡單液體中，在各種物理系統（包括微觀系統）都能觀察到。然而，最大的挑戰在於：檢測姆潘巴效應的關鍵，取決於用來追蹤系統遠離平衡狀態的「距離測量」方式。

由於存在無限多種可能的測量方式，使用某種測量方法觀察到的效應，換成另一種方法可能就無法在有限時間內重現。傳統研究通常採用單一、單調的測量標準來評估「弛豫速度」（系統在溫度變化後恢復平衡的速率），但這種做法容易產生不一致甚至誤導性的結果。

為瞭解決這個難題，京都大學研究團隊開發出一套不依賴單一測量標準的通用判據。他們採用「熱力學優勢理論」這種數學框架，能夠統一不同的距離測量方式。論文通訊作者武文雄（Tan Van Vu）表示：「我們的研究證明，使用熱力學優勢理論等同於同時考慮所有單調測量方式。」

透過這套理論，武文雄與同事早川久雄建立了評估熱弛豫速度的嚴謹標準，不僅消除了先前研究的模糊地帶，更為測量姆潘巴效應提供了明確框架。團隊還意外發現，這種效應並非侷限於特定溫度範圍，而是可能出現在各種熱力條件下。武文雄指出：「這個驚人發現顯示，姆潘巴效應反映的可能是比過去認知更普遍的基礎機制。」

這項突破性研究不僅為熱弛豫動力學的基本原理帶來新見解，更有望應用於提升熱機與冷卻技術的效率。量子計算和生物物理學等領域也將受益。不過武文雄與早川久雄強調，仍有個關鍵問題待解：熱力學優勢姆潘巴效應發生的最短時間尺度為何？從速度極限的角度探討這個問題，或許能幫助建立弛豫動力學的基本限制。

這項發表於2025年3月10日《物理評論快報》的研究，由日本學術振興會資助。論文標題為〈熱力學優勢姆潘巴效應〉，DOI編號10.1103/PhysRevLett.134.107101。