加熱後反而加速冷卻，發現量子系統也存在反直覺彭巴效應

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）