如果小編問大家：
“熱水和冷水哪個結冰更快？”
南方的同學可能不約而同的選擇冷水。
北方的同學就笑了，這是生活常識：答案是熱水！
但是為什麼呢？
【冰淇淋中發現的“Mpemba效應”】
1963年的一天，坦尚尼亞的一所中學裡一群學生準備做冷凍食品。一名叫埃拉斯托·姆潘巴的學生在熱牛奶里加了糖，準備放進冰箱裡做冰淇淋。他覺得等熱牛奶冷了後再放進冰箱，其他同學就會把冰箱裝滿，於是他把熱牛奶直接放進冰箱。等他開啟冰箱後，他驚奇的發現只有自己的杯子裡變成了美味的冰淇淋，而其他同學用冷水做的還沒有結冰。於是，姆潘巴告訴達累斯薩拉姆大學物理學教授奧斯本博士關於這一特殊現象。尊重科學的奧斯本又進行了一次實驗，結果完全符合姆潘巴的描述。這無疑證實了熱水在低溫下比冷水結冰快。從那時起，世界上許多科學期刊都介紹了這種自然現象，並將其命名為“姆潘巴現象”。
【如何科學驗證？】
事實上對於Mpemba效應，這是一種違反直覺的現象，在一定條件下，熱水比冷水更快結冰。但是，已經報到的研究這一現象的實驗，由於水結冰過程的複雜性而變得混亂不堪，使得研究結果難以重現，也使得科學家對造成這一現象的原因、如何定義這一現象以及這一現象是否真的存在等問題上存在分歧。
近日，為了避免體系的複雜性，西蒙弗雷澤大學的John Bechhoefer教授團隊用直徑1。5微米的小玻璃珠代替水做研究物件，研究人員根據冷卻速度而不是更復雜的冷凍過程來定義Mpemba效應。研究發現，高溫物體比低溫物體冷卻得更快。當我們對物體冷卻到一定溫度時，科學家發現溫度較高的系統比溫度較低的系統冷卻的時間要短。在某些情況下，這種高溫加速甚至是指數級的。該研究以題為“Exponentially faster cooling in a colloidal system”發表在頂級期刊Nature上。
【Mpemba效應的再定義】
研究人員用三個溫度Th>Tw>Tc來定義Mpemba效應，在這三個溫度下，系統從熱態冷卻到冷態的時間比從中間熱態冷卻到相同冷態的時間Tw短。在上述定義中，Th表示高溫系統的初始狀態，Tw表示低溫系統的初始狀態，Tc表示熱浴溫度。 在這樣的定義下，研究團隊首次實現了在完全可控的條件下，
證明從Th冷卻到Tc所需的時間，比從Tw冷卻到Tc的時間更短。
【實驗方法】
在實驗中，他們使用了直徑僅為1。5微米的小玻璃珠來代表水分子。然後透過設定引數，選擇在不同的條件下將數千個小玻璃珠投入一個充當熱浴的燒杯中。當每一顆玻璃珠落下時，他們會使用光鑷對玻璃珠施加作用力；與此同時，玻璃珠在這一過程中也會在熱浴中得到冷卻。從玻璃珠在相應的作用力下做的運動，研究人員可以計算出玻璃珠的實效溫度。事實上，由於微珠的空間尺寸小，能壘低，能迅速與熔池平衡（0。1s）。然後可以輕鬆地進行幾千次試驗，形成一個統計資料，從中可以精確測量平衡態和非平衡態的溫度。
圖1。Mpemba效應的能量勢壘及玻爾茲曼分佈。
為了更進一步地研究系統是如何冷卻的，本文中研究人員追蹤了玻璃珠在一段時間內的運動。他們測量了玻璃珠從Th或Tw冷卻到Tc的時間，發現在有的設定下，初始溫度為Th的玻璃珠冷卻得比初始溫度為Tw的玻璃珠快得多。比如在特定的條件設定下，從Th冷卻到Tc只需2毫秒的時間，而從Tw冷卻到Tc則需要20毫秒以上的時間。
圖2。 系統弛豫到平衡的動力學。
【非對稱區域的Mpemba效應】
按照傳統的理論，高溫物體首先要冷卻到低溫物體的溫度，然後就能和低溫物體一樣冷卻到指定的溫度，這意味著高溫物體冷卻時間要更長。但在某些情況下，這種簡單的邏輯是錯誤的，特別是對於不處於熱平衡狀態的系統。對於這樣一個系統，它的行為不再僅僅以溫度為特徵。當珠子冷卻時，它們並沒有處於熱平衡狀態，這意味著它們在勢能分佈上的位置並不允許用單一溫度來描述它們。
對於這樣的系統，沒有從熱到冷的直接路徑，而是有多條到冷的路徑，這就允許了潛在的捷徑。對於珠子來說，根據勢能的分佈，從較高的溫度開始，意味著它們可以更容易地重新排列成與較低溫度相匹配的結構。
圖3。 平衡時間作為初始系統溫度的函式。
【未來何方？】
特定系統的詳細理論可以解釋給定系統中的重要現象，例如，新增劑如何增加水中可達到的過冷度，幫助昆蟲在亞冷凍溫度下存活，應用的一般理論則表明，在各種環境和材料中，類似行為是如何產生的。在這裡，作者利用他們對Mpemba效應現象學的理解來識別實驗引數的特殊組合，其中a2係數消失（強Mpemba效應），對應於指數更快的冷卻。最近的一個理論表明，初始冷卻實際上可以使加熱時間成倍地加快。事實上，尋找這種反向Mpemba效應仍然是一個誘人的實驗目標。更廣泛地說，熱鬆弛和散熱仍然是重要的技術挑戰。例如，它們限制了微處理器和其他積體電路的效能。將類似Mpemba的效應應用到技術相關的材料中，可能會提供新的重要策略，以快速地從區域性熱源中去除熱量。
