極速燒腦 這個媽見打的問題，終於有了嚴格證明！

熱水和冷水誰結冰更快 這個困擾了人類兩千餘年的未解之謎 如今終於有了嚴格證明 眾所周知 熱水要想結冰 必定會先冷卻到冷水溫度 然後再經歷冷水結冰的完整過程 因此熱水結冰時間顯然更長 但事情並非如此 公元前四世紀 亞裏士多德發現 被加熱過的水似乎總是能更快結冰 因此當人們想快速冷卻水時 會先將其放在陽光下曝曬 1620年 英國哲學家弗朗西斯培根 在他的《氣象學》論文中寫道 溫水比冷水更容易結冰 法國數學家笛卡爾也曾表示 長時間保溫的溫水比冷水結冰更快 因為溫水中最活躍的水分子會蒸發流失 然而這些都是不嚴謹的經驗推測 並未得到學術界重視 1963年 坦桑尼亞的一位中學生姆潘巴 在完成學校的冰淇淋項目時 為避免排隊 他跳過冷卻步驟 直接將煮沸後的奶油放入冰箱 結果發現 自己的奶油卻比同學的室溫奶油 先凍成冰淇淋 不料 姆潘巴將這一問題上報後 卻迎來了老師們的強烈批評 認為這簡直不要太荒謬 6年後 姆潘巴向物理學教授 丹尼斯·奧斯本尋求答案 並在教授的邀請下 用水替代奶油再次成功複寫 教授在論文中寫道 溫水的確比冷水結冰速度更快 並將其正式命名為姆潘巴效應 此後 人們紛紛加入姆潘巴效應的研究 這些論文都成功複現 並記錄了該現象 同時也提出了諸多解釋 其中主要包括 霜的融化 水氣蒸發 對流 氣體溶解以及過冷 首先是霜的融化 將熱水放入結霜的冰箱 會導致杯底冰霜融化 這會大幅加速水與冰箱的熱傳遞 加速熱水冷卻 其次是水氣蒸發 即熱水比冷水蒸發更快 導致體積比冷水小 從而更快結冰 顯然 這兩者其實都是科學對照實驗不嚴謹導致 然而當科學家將杯底與冰箱隔離 並將杯口蓋上後 姆潘巴效應仍然存在 於是第三種解釋出現 因此即便當熱水冷卻到和冷水相同溫度 更快的對流速度會導致其冷卻速度 也更快從而優先到達冰底 第四種解釋是氣體溶解 熱水和冷水還有一個顯著差異 即熱水溶解的氣體遠少於冷水 這會導致其在降溫過程中 大量溶解來自空氣中的氣體 至於為什麼這一過程會加速結冰 一個合理的猜測是可能與過冷效應有關 2012年 英國皇家化學學會發起現今挑戰 評選姆潘巴現象的最佳原理解釋 而最終獲獎者提出的解釋就是過冷 過冷之所以發生 是因為冰的形成需要冰核 純淨水只能靠分子自發形成冰核 能量壁壘極高 只有當溫度低於零下40攝氏度 才會開始結冰 而雜質和氣泡的存在 能大幅提升冰核形成溫度至接近零度 因此熱水可能因為在冷卻時 大量溶解氣體產生了微小氣泡 導致其冰核比冷水更快形成 從而更快結冰 事實上結冰本身 也是一個非常複雜且耗能的過程 水在零度時從液態完全變為固態 所釋放的能量相當於從80攝氏度 冷卻到零度 2016年劍橋大學的一篇論文 試圖研究所有這些因素 帶來的具體影響 他們拋開複雜的結冰過程 只簡單統計到達零度所需的時間 然而儘管他們獲得了大量數據 卻並沒有什麼卵用 因為他們發現溫度計的放置位置 竟會嚴重影響實驗結果 僅僅一釐米的偏差 卻會導致截然不同的結果 這揭示了姆潘巴效應 難以研究的本質 極快速冷卻過程中的水 其實是處於一種極不穩定的非平衡態 對於一杯水 雖然其每個分子的速度各不相同 但當它達到熱平衡後 所有分子速度 便會遵從特定的概率分佈 但如果一個系統的溫度 正在快速變化 分子速率分佈雜亂無章 它就是一個不穩定的非平衡態系統 此時溫度這一概念不再適用 因為溫度本質上只是物理學家 為了便於描述平衡態 所抽象出來的概念 對於非平衡態系統 我們不能簡單地將溫度下降 看作是單調的線性變化 而是需要直接面對一大堆 無序且極速變化的粒子 這就是極為複雜的非平衡態熱力學 而對於這種複雜系統 通常的研究辦法就是建模模擬 2017年 美國國家科學院院刊上的一篇論文發現 通過隨機粒子動力學的計算機模擬 在特定條件下 伍潘巴效應和逆伍潘巴效應 的確有可能發生 因為較熱系統的粒子擁有更多能量 它們能嘗試更多的溫度變化路徑 這使得它們有一定的機率 能找到一條捷徑更快抵達終點 2020年 一篇《自然》雜誌上的論文 提出了一個天才級的構思 它們用激光在水中製造出了一個 w形的一維視景 用光涅將微小玻璃珠從視景中釋放 玻璃珠一方面會受到水分子的撞擊 另一方面會逐漸落入能量低 然後在水分子的撞擊下 在兩個低谷間來回跳動 重複放置1000次 就等價於構建了一個 含有1000個粒子的系統 在這個過程中 水相當於冷卻劑 熱系統則是通過將玻璃珠放置 在視景的任意地方來模擬 因為熱系統的粒子 能更活躍地在能量視景中四處遊走 而冷系統則是把玻璃珠 放置在靠近深谷的區域 當玻璃珠停留在 兩個低谷的時長比例區域穩定時 比如80%的時間在穩態 20%的時間在亞穩態 即認為系統完成冷卻 結果表明 當實驗參數調整的恰到好處時 熱系統可以立刻達到規定的冷卻態 速度遠超冷系統 此後 越來越多類似的母盤巴效應 在各種系統 甚至是量子系統的模擬中 均被發現 但即便如此 我們仍缺少理論上的數學證明 直到今年3月 一篇發表在物理評論快報上的論文 給出了母盤巴效應的嚴格證明 對於非平衡態系統到平衡態的距離 由於傳統度量方法 比如總變差距離 以及KL散度的定義都不相同 於是他們引入了一種 全新的熱多重排序理論 重新定義了該距離 在該定義下 無論選擇什麼度量方式 得到的熱水超車時間點都一樣 比如左邊簡化系統中 根據總變差距離 及KL散度得到的超車點 分別是4.26和8.43秒 而引入多重排序理論後 無論什麼方式算出的時間都一樣 這纔是真正的唯一超車點 然而 真實的熱力學系統原比質複雜 所以嚴格來說 該論文只是證明瞭簡化模型 而非真實系統的母盤巴效應 但即便如此 它仍然開創了一個全新的研究起點 為後續的研究指明方向 母盤巴效應揭示了 非平衡態系統中能量傳遞的奇妙捷徑 而另外一群工程師 也找到了一種快速升溫的絕佳方案 美迪超導Z600熱水器 顛覆行業新勢力 它將航空發動機的快速冷卻原理反向 應用到加熱技術上 通過長達10層樓高的超長換熱水路 以及等同於70英寸電視的換熱面積 真正實現無限量熱水供應 無內膽不存水 管道火水快速加熱 鈴針熱水無需等待 從此告別洗澡掐時間 實現熱水自由 同時 它將新能源汽車的能源分級 利用加動態協同的增程式技術 轉化為自身的熱能動態存儲及按需釋放機制 節能高達40% 一年省電 購充548次死位機 白玩200小時塞爾達 此外 傳統熱水器內膽如果長期不清洗 容易洗出黃水美渣以及水垢 而它的創新無內膽設計 不僅能將水質提升為飲用即鮮水 還能省下定期清洗內膽的費用 更重要的是 無內膽設計能真正水電分離 杜絕漏水漏電的風險 另外它的超薄體積比行業最小的扁桶熱水器 還要小45% 高度小24% 厚度小19% 全線安裝無壓力 美觀又省空間 售後不僅提供8年整機包修 現在還有100天免費試用包安裝 免基礎補材費 技術很有底氣 這個突破行業技術的新物種非常值得推薦 現在點擊評論區鏈接 感受新能源技術所帶來的沐浴生機體驗吧 視頻做到這裡我不禁感慨 誰能想到 60年前一個中學生毫不起眼的提問 卻引發了後來大量學者的思考 發展出了一個全新的研究領域 甚至還擴展到了宇宙中 其他非平衡態系統的演化規律 而這一切都離不開 姆潘八七年後 卻仍堅持追求答案的勇氣 它再一次讓我見識到了 人類最原始好奇心的強大力量 這或許正是科學的真正魅力