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1963年的一個(gè)下午，13歲的坦桑尼亞少年埃拉斯托·姆潘巴在馬甘巴中學(xué)制作冰淇淋。為了早點(diǎn)搶到冰箱的冷凍空間，他沒等滾燙的牛奶糖漿冷卻下來，就直接塞進(jìn)了冷凍室，其他同學(xué)都按照常規(guī)步驟先放涼再放進(jìn)冰箱。沒想到，姆潘巴的熱糖漿反而更快凝固成了冰淇淋——這個(gè)偶然撞破的奇特現(xiàn)象，后來徹底改變了現(xiàn)代物理學(xué)對熱力學(xué)過程的固有認(rèn)知。

把熱水潑向極冷的冷空氣后瞬間凝結(jié)成雪，就是姆潘巴效應(yīng)的一個(gè)典型表現(xiàn)

（照片來源：《Science》）

之后姆潘巴多次用水重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，還一次次向老師提問：為什么熱水比冷水更快結(jié)冰？但他的疑問從來沒有得到重視?？赡放税筒]有放棄，轉(zhuǎn)而向到訪坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)的物理學(xué)家丹尼斯·奧斯本請教。奧斯本答應(yīng)他會親自回家驗(yàn)證這個(gè)現(xiàn)象。1969年，兩人共同署名發(fā)表了相關(guān)論文，奧斯本還把姆潘巴放在第一作者的位置，正式公開了這一奇特現(xiàn)象，并留下一句值得深思的話：任何問題都不該被嘲笑。

可事實(shí)證明，姆潘巴效應(yīng)出現(xiàn)在水中只是冰山一角。過去十年間，科學(xué)家已經(jīng)在多種不同材料中觀測到了類似現(xiàn)象，從結(jié)晶高分子聚合物到磁性材料都有發(fā)現(xiàn)。就在近期，這個(gè)神奇效應(yīng)還出現(xiàn)在了量子領(lǐng)域，比如被激光囚禁的單個(gè)離子系統(tǒng)中。2026年3月25日，《物理評論X》刊發(fā)了一個(gè)全新的理論框架，成功把所有不同場景下的姆潘巴效應(yīng)做了統(tǒng)一描述，解釋了為什么初始狀態(tài)離平衡態(tài)更遠(yuǎn)的系統(tǒng)，反而能更快回到穩(wěn)定狀態(tài)。加拿大西蒙菲莎大學(xué)的物理學(xué)家約翰·貝奇霍夫評價(jià)：這些看起來完全不同的怪異現(xiàn)象，本質(zhì)上遵守著同一個(gè)物理規(guī)則。

直到今天，研究者還在爭論姆潘巴效應(yīng)是不是對水普遍成立。而水本身恰恰是很難研究的對象：它的凍結(jié)條件對很多微小變量都非常敏感，比如水中有沒有溶解氣體、容器內(nèi)壁是不是光滑，都會改變最終結(jié)果。

但科學(xué)家在其他很多材料里都觀測到了更清晰明確的姆潘巴效應(yīng)信號。比如用于碳捕獲的籠形水合物——也就是水分子結(jié)合其他分子形成的籠狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，還有3D打印常用的聚乳酸塑料，經(jīng)過高溫預(yù)處理之后，重新結(jié)晶的速度反而比低溫預(yù)處理的更快?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)了磁學(xué)版本的姆潘巴效應(yīng)：部分初始磁場強(qiáng)度更高的材料，退磁速度反而更快。愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的物理學(xué)家約翰·古爾德說：這顯然是一個(gè)普遍現(xiàn)象，它無處不在，只要你愿意去找，就能發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。

2017年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的奧倫·拉茲和美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的盧至悅，提出了這個(gè)效應(yīng)的通用數(shù)學(xué)解釋。他們畫出了簡單粒子系統(tǒng)向平衡態(tài)演化的所有可能路徑，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)，能探索到更多通往目標(biāo)狀態(tài)的路徑。拉茲介紹：系統(tǒng)可能會找到我們完全想不到的捷徑。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的時(shí)候，我們從日常經(jīng)驗(yàn)里總結(jié)出來的直覺就完全不適用了。

2020年，貝奇霍夫和同事用在水中滾動(dòng)的微觀玻璃珠做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這個(gè)解釋。他們分別測量了高溫玻璃珠和低溫玻璃珠，在水下起伏的“能量地形”中穩(wěn)定到靜止?fàn)顟B(tài)需要的時(shí)間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分高溫玻璃珠反而比低溫玻璃珠更快停下來。他們還利用這套裝置演示了“逆姆潘巴效應(yīng)”——也就是初始溫度更低的物質(zhì)，反而升溫更快的現(xiàn)象。

就在科學(xué)家一點(diǎn)點(diǎn)解開常規(guī)材料中姆潘巴效應(yīng)的機(jī)制謎題時(shí)，這個(gè)神奇現(xiàn)象又闖進(jìn)了一個(gè)全新的領(lǐng)域：原子構(gòu)成的量子世界。

2023年，拉茲的博士生沙哈夫·阿哈拉尼·沙皮拉想要和研究量子計(jì)算的丈夫約塔姆·沙皮拉合作研究這個(gè)方向。拉茲建議這對夫妻，在激光囚禁的單個(gè)離子系統(tǒng)中尋找姆潘巴效應(yīng)的信號。讓他們驚訝的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，初始溫度更低的離子，升溫速度反而比初始溫度更高的離子更快——這是一個(gè)非常明確的逆姆潘巴效應(yīng)案例。幾乎同一時(shí)期，中國的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也在類似系統(tǒng)中意外發(fā)現(xiàn)了常規(guī)的姆潘巴效應(yīng)。

與此同時(shí)，法國巴黎-薩克雷大學(xué)的薩拉·穆西亞諾在研究量子系統(tǒng)受擾動(dòng)后磁場重排的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的規(guī)律：初始磁場的不對稱性越強(qiáng)，系統(tǒng)局部恢復(fù)對稱的速度反而越快。她一直想不通其中的道理，甚至懷疑是自己寫的代碼出了漏洞，直到一位訪問教授和她提到了姆潘巴效應(yīng)。穆西亞諾很快和奧地利的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)展開合作，把12個(gè)囚禁離子鏈的磁自旋傾斜到不同角度，測量它們回到初始狀態(tài)的時(shí)間，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論預(yù)測。

2024年初，一共有三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)先后發(fā)布了相關(guān)預(yù)印本，引發(fā)了學(xué)界對量子姆潘巴效應(yīng)及其內(nèi)在機(jī)制的廣泛討論和關(guān)注。

古爾德和他的同事現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個(gè)“統(tǒng)一所有情況的單一框架”，可以同時(shí)描述經(jīng)典和量子體系下的所有姆潘巴效應(yīng)。他們借鑒了量子信息論的研究工具，用系統(tǒng)消耗特定資源的過程來描述系統(tǒng)的演化。研究發(fā)現(xiàn)，不管在哪種場景下，需要消耗更多特定資源——不管是溫度漲落還是磁場不對稱性——的系統(tǒng)，反而能更快到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)。這是因?yàn)?，離平衡態(tài)非常遠(yuǎn)的系統(tǒng)往往遵循不一樣的演化規(guī)則，它的特殊結(jié)構(gòu)可以讓通往平衡態(tài)最慢的路徑相互抵消，因此可以異?？焖俚叵馁Y源，更快到達(dá)平衡態(tài)。穆西亞諾評價(jià)道：古爾德確實(shí)成功把所有現(xiàn)象都整合到了同一個(gè)理論框架里。

貝奇霍夫認(rèn)為，用統(tǒng)一的語言描述這些效應(yīng)，幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)很多“換個(gè)視角才看得見”的新現(xiàn)象。除此之外，通往平衡態(tài)的這條捷徑不只是自然界里有意思的奇觀，如果科學(xué)家能準(zhǔn)確識別出觸發(fā)姆潘巴效應(yīng)的初始條件，就可以用來優(yōu)化很多實(shí)際過程。

物理學(xué)家已經(jīng)開始探索，姆潘巴效應(yīng)能怎么提升溫度調(diào)控方案的效率。有研究者提出，通過控制成像探針的溫度，這個(gè)效應(yīng)或許可以用來改進(jìn)原子力顯微鏡；還能輔助利用水結(jié)冰產(chǎn)生壓力制備陶瓷材料的工藝。而在量子領(lǐng)域，這個(gè)效應(yīng)還有望幫助加速量子計(jì)算和量子態(tài)制備的過程。穆西亞諾說：到目前為止，我們的工作都聚焦在揭示物理本質(zhì)——搞清楚這個(gè)效應(yīng)為什么會發(fā)生、會不會發(fā)生、什么時(shí)候發(fā)生?，F(xiàn)在，我們需要把這個(gè)發(fā)現(xiàn)用到實(shí)際應(yīng)用里了。

巴西圣卡洛斯物理研究所的物理學(xué)家克里西亞·扎瓦茨基表示，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并不容易，需要繪制出系統(tǒng)所有可能的演化路徑。但扎瓦茨基認(rèn)為，新一輪的姆潘巴效應(yīng)研究革命即將到來。她的團(tuán)隊(duì)近期通過觀測液態(tài)氯仿溶液中原子核自旋的弛豫過程，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的量子姆潘巴效應(yīng)。他們證明，這個(gè)效應(yīng)可以用在固態(tài)制冷機(jī)上——比如那些用來冷卻量子計(jì)算芯片的制冷設(shè)備，能把制冷能力提升大約10%。扎瓦茨基說：原則上我們已經(jīng)知道怎么制備觸發(fā)效應(yīng)的特殊初始條件了，這次的演示清楚證明，把姆潘巴效應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界是完全可行的。

扎瓦茨基認(rèn)為，姆潘巴的故事本身也藏著更深刻的啟示：對自然里的奇特現(xiàn)象保持基礎(chǔ)的好奇心，往往能解鎖意想不到的深刻認(rèn)知，而這些認(rèn)知最終總能轉(zhuǎn)化成實(shí)際的價(jià)值。她說：不管是更快做成冰淇淋，還是提升量子技術(shù)的效率，都是這個(gè)道理。