彭巴效應是種矛盾現象,即熱水結冰速度比冷水更快,兩千來讓科學家、哲學家著迷。現在,物理學家進一步發現彭巴效應不僅限於經典熱力學,也出現在量子系統中,為量子冷卻技術開闢全新可能性。
彭巴效應(Mpemba effect)有幾種語意不同的表述,最早可追溯至古希臘時代,亞里斯多德曾說過「先前被加熱過的水,有助更快結冰」,這句話被後世科學家理解為「先前加熱過的水與先前未加過熱的水在同溫下比較,加熱過的水會更快結冰」。
另一種說法則為同等質量和同等冷卻環境下,溫度略高的液體會比溫度略低的液體先結冰。
不管怎麼說,這種違反直覺的費解現象已被激烈爭論 2,000 年以上,至今仍沒有共識與精確定義,科學家也還在透過實驗持續調查彭巴效應,比如 2020 年加拿大物理學家Avinash Kumar、John Bechhoefer 利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子,觀察到熱玻璃珠在特定情況下比冷玻璃珠更快凝結,其中一次熱玻璃珠在 2 毫秒內凝結,比冷玻璃珠快上 10 倍。
現在,都柏林聖三一學院教授 John Goold 領導的團隊證明這種奇怪效應比預期還要普遍,它不只出現於經典熱力學,甚至在微觀量子尺度上更加明顯。
有望推動量子系統冷卻技術
透過非平衡量子熱力學工具,研究人員找到在量子系統產生彭巴效應的方法,此法能有效「加熱」量子系統進行物理變換,值得注意的是這種轉變利用量子動力學獨特特徵,能以指數方式更快「鬆弛」或「冷卻」。
這項發現對量子技術具有深遠影響力,尤其是對量子電腦、其他先進技術發展至關重要的量子冷卻系統,彭巴效應能做為一種加速冷卻新方法,進而提高量子裝置效率。團隊正在開發一種幾何方法,希望於同一數學框架內理解不同類型的彭巴效應,期盼未來能在計算、能源等領域產生實際應用。
新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
除了都柏林聖三一學院團隊,之前也有其他科學家投入研究量子彭巴效應,包括以色列魏茲曼科學研究所 Shahaf Aharony Shapira 團隊,他們發現當離子自旋在較低溫度下開始,會更快與環境達到熱平衡,類似反量子彭巴效應;奧地利科學院 Lata Joshi 團隊透過實驗研究一個封閉量子系統,發現當離子最初遠離對稱態,它們的自旋會更快恢復對稱性,類似一種量子彭巴效應。
(首圖來源:pixabay)
留言 2
約翰插柳柳成汁
因為密度差異?
密度低
分子容易運動
4小時前
慶福
所以在冰天雪地要灑熱水,比灑冷水更容易型成冰霧?
18小時前
顯示全部