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一碗冰淇淋惹出的大麻煩!熱水結冰比冷水快?半世紀爭議終於解開

活躍星系核_96
・2020/09/11 ・2626字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

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  • 文/韻涵|以人文視角洞察科普,淺顯轉述科學奧義。這輩子離不開地球,只能遙望星空。

熱水結冰的速度,比冷水快嗎?這個看似簡單的問題,答案應該是「不會」(吧?)

然而,科學家超過半世紀以來,經過數千次實驗、觀察與辯證,今年8月終於有科學家利用最簡單的實驗設計,在密切控制的條件之下,證實等量的熱水會比等量的冷水還快結冰。

做冰淇淋搶快,意外發現爭議半世紀的有趣現象

這種反常現象被稱作「彭巴效應」(Mpemba effect),以 1963年觀察到此現象的東非國家坦尚尼亞的中學生艾拉斯托‧彭巴(Erasto Mpemba)姓氏命名。彭巴當時在學校烹飪課製作冰淇淋時,原本應要依老師指示將牛奶加糖煮滾,在室溫放涼後才倒入模具,再冰進冷凍庫。

然而,烹飪教室冰箱的冷凍庫空間有限,他的朋友有次看到他在加熱牛奶做冰淇淋,心急搶快,於是跳過煮牛奶的過程,直接將冰牛奶倒入模具,冰進冷凍庫。彭巴見狀,擔心自己搶不到為數不多的模具和冷凍空間,只好冒著把冰箱弄壞的風險,直接把熱牛奶送進冷凍庫。

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彭巴懷著忐忑不安的心,約 1 個半小時後打開冰箱,赫然發現,他用熱牛奶做的冰淇淋,比他同學用冰牛奶做的冰淇淋還快凝固。

彭巴(左)與物理學教授奧斯伯恩。圖片嵌入自The Times

幾年後,彭巴就此提問物理學教授丹尼斯‧奧斯伯恩(Denis Osborne),奧斯伯恩很感興趣並著手做實驗,印證這種顛覆傳統思維的現象。隨後,奧斯伯恩與彭巴共同撰寫報告, 1969 年發表於《物理教育》(Physics Education)期刊。

這項不符合科學常理的研究刊出後,立刻掀起辯論,時至今日未歇。科學家議論不休的主因是,複製驗證「彭巴效應」實驗並不容易,受到許多不同的變因影響,諸如水的複雜性、煮沸及冷凝的過程不盡相同,甚至就連最終結果也有討論空間,例如所謂的熱水是剛開始滾的狀態呢?還是要完全煮沸?還是只要達到沸點就好?前述種種涉及時間的變化,因此彭巴效應實驗很難複製。

研究人員對於彭巴效應的成因和定義難以達成共識,遑論判斷彭巴效應是否真實存在。

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玻璃珠代替水珠,加拿大學者印證彭巴效應

在彭巴效應的很久很久以前,古希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle)曾於 2300 多年前表示,如果要「讓熱水快一點涼,就要放到太陽底下」。

為探究亞里斯多德的理論和超過半世紀的彭巴效應爭議,加拿大西門菲莎大學(Simon Fraser University)物理學博士候選人艾比納許‧庫瑪(Avinash Kumar),和他的指導教授約翰‧貝契霍佛(John Bechhoefer),兩人利用一個裝滿水的大燒杯打造「熱熄」膠體系統(colloidal system)作為提供穩定溫度熱來源的「熱庫」(heat bath)。

「熱熄」(thermal quench),又稱「熱淬滅」,是一種冷卻方法。

艾比納許‧庫瑪(Avinash Kumar)。圖片嵌入自smithsonianmag

庫瑪在實驗中,利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子,並根據機率分佈(probability distribution),從不同方向讓玻璃珠落入燒杯中數千次,每當玻璃珠墜落,研究人員便會利用光鑷(optical tweezers)進行虛擬勢能(virtual potential)側寫,改變機率分佈和該系統的溫度。

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隨著變因不同,研究人員觀察到熱水在特定情況下比冷水較快凝結的情況,在其中一次觀察中,熱玻璃珠在 2 毫秒的時間凝結,比冷玻璃珠還快上 10 倍,庫瑪與貝契霍佛的研究結果 8 月 5 日發表於《自然》(Nature)期刊。

熱水急速冷卻過程,就像走登山捷徑

未參與研究的美國北卡羅萊納大學教堂山分校(UNC Chapel Hill)化學系助理教授盧至悅(Zhiyue Lu)說:「這是第一次,有如此乾淨俐落且完美控制的實驗,足以證明彭巴效應。」

如果以爬山形容熱水降溫的過程,可以想像山裡有許多通往相同終點的林道、蜿蜒小徑和捷徑等道路供登山客選擇;熱水急速冷卻的過程,可以想成登山者選擇走捷徑,不用翻山越嶺,迂迴於山巒之中,直達目的地。

盧至悅與美國馬里蘭大學(University of Maryland)化學與生物化學博士後研究員奧倫‧拉茲(Oren Raz)2017 年共同發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS USA)的研究,預測彭巴效應的冷凝「捷徑」有可能存在。

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目前任職於以色列魏茨曼科學研究學院(Weizmann Institute of Science)的拉茲表示,「很高興看到彭巴效應真的行得通」,但他謹慎地說,「我們不知道這是否為水的特性。」

極低溫潑熱水變冰花煙火,並不是彭巴效應

水的現象較為複雜,涵蓋蒸發和過度冷卻(supercool)的可能,過度冷卻表示水在正常的凝固溫度時仍呈現液態。

https://youtu.be/B3VHGTQQs-4

幾年前,紅極一時的極低溫戶外潑熱水,經慢動作重播彷彿雪白冰花煙火的YouTube影片,曾被以彭巴效應解讀;不過,學者說明,這類影片大多在冷冽、乾燥的環境中拍攝,這樣的空氣條件有利水珠吸熱、蒸散,繼而使水珠溫度驟降,讓水分快速膨脹、汽化,與彭巴效應的蒸散面積相等條件有別。

除玻璃、水外,自然界還普遍存在彭巴效應?

美國維吉尼亞大學(University of Virginia)理論物理學家瑪麗亞‧武聖亞(Marija Vucelja)表示,西門菲莎大學研究的優點在其精簡,「研究方法利用非常簡單的設置,就足以顯現彭巴效應的豐富效果。」

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武聖亞說,彭巴效應不僅能夠透過玻璃珠或水分子呈現,「或許在自然界中普遍地存在這種效應,只是我們沒有留意罷了。」

  1. Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x
  2. Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20), 5083-5088. doi: 10.1073/pnas.1701264114
  3. Mpemba E., & Osborne D. (1969). Cool?. Physics Education, 4(3), 172-175. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312
  4. Phys.org 
  5. ScienceNews
  6. 跟著鄭大師玩科學
  • 責任編輯:YP
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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