• 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。」

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。」

參考文獻 

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

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜郭雅欣、簡克志
• 美術設計｜林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎？劇中常常出現的物理名詞「弦論」，是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員，她正是研究弦論的科學家，也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手，這種跨領域身份並不衝突，兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格，讓程之寧在數學和物理領域大展身手，透過數學的深入探討，她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域，為學界提供理論物理上的貢獻。

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢？物理世界的本質是什麼呢？回答這樣的大哉問，一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學（日常應用）、廣義相對論（探討很重的物質）到量子力學（探討很小的物質），隨著物理學不斷發展，我們似乎一步步接近答案，但至今卻還未走到終點。

舉例來說，如果有個東西很重又很小，就像「黑洞」，或是大爆炸時的宇宙，我們要怎麼用數學描述？於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學，找出所謂的「萬有理論」（Theory of Everything）──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」，它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成，每一種基本粒子的振動模式不同，產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是，如果能用一句話解釋所有事情，那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」（Moonshine）與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯，程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連，並稱之為「伴影月光猜想」（Umbral Moonshine）。

基於弦論的假設，我們的世界是十維的，除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維（空間＋時間），還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的，這些看不到的維度影響著物理世界，最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究，橫跨了物理與數學兩個領域，她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上，程之寧原先喜歡文學，之後卻走上數理研究的道路；在音樂上，程之寧喜愛搖滾樂，至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折？游徜在數學與物理之間，她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會？在與「研之有物」的訪談中，程之寧侃侃而談她的經歷、想法，以及對學術研究的熱忱所在。

• 請問您是如何對數學及物理產生興趣？從何時開始？

一開始考大學時，其實我想去念中文系（笑）。不過，因為我高中是選理組，而且只念了一兩年，對文科考試比較沒把握，加上對工程科系沒興趣，最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折，第一個是我很認真的去修了大學中文系的課，結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的，像量子力學和相對論，讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來，好像有一種小說沒讀完的感覺，所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路，單純抱著想把故事看完的想法。

• 後來是如何接觸到弦論？弦論是如何引起您的興趣？

後來我去荷蘭念碩士，指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論，但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說：「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路，不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀，看看是不是真的有一些東西在那裡，也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後，就變成弦論派了（笑）。’t Hooft 教授對此也保持開放態度，他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家，之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時，就完全以弦論為研究主題了。

• 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎？

蠻多人會問我說，妳學了量子力學，是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白？或問我量子力學跟宗教是不是有關？可是我覺得我分得很開，我不會去做這樣的連結，我還是活在現實裡，走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講，我蠻感激我們的存在，因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在，然後在這樣一個環境過一輩子，是機率很低的事情，而且我還蠻開心我是當人，而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物！有些人會從這裡連結到宗教或轉世，但我不會，我就停在這裡。

• 來談談您的研究，伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係？

弦論中有很多的可能性，我們可以挑選特定的四維，然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說，我們可以把兩個甜甜圈乘起來，在上面做特殊的奇異點，來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講，我們可以透過這個過程，找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像，但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」：如果有一個空間是一條線，另一個空間是一個圓，乘起來就變成一個圓柱形，從一個方向剖面可以切出圓，另一個方向則切出線。而在數學上，不管幾維，能不能在紙上畫的出來，都可以這樣操作。

• 如何透過計算，發現捉摸不定的「月光」？

有時候這看似湊巧，一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧，弦論看起來很有彈性，好像什麼都可以解釋，但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時，它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質，然後我再去觀察數學中，有這樣性質的函數可能就只有一兩個，只要再初步算一下，就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的，所以這是巧合嗎？是也不是。

• 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想，您對這類題目特別有興趣嗎？

我覺得數學有兩種，有些數學家喜歡系統性的事情，就像蓋房子一樣，在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構，可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的，就是喜歡獵奇，去收集分類奇奇怪怪的特殊東西，例如有這些性質的函數在哪裡？可能你算出來就是 5 個，你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的，我覺得應該都很棒，但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

• 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想，您怎麼看待這兩個知識體系的互動？

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論，它是一個有點繁複的框架，我們什麼都要會一些，才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來，有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色，讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法，但在這二三十年間，我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想，看到了弦論與數學之間的互動。

• 剛才一開始提到，您高中只念了一兩年，是因為對學校沒有興趣嗎？

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣，一班 50 幾個人，老師必須盡量軍事化管理，大家最好都一模一樣，比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況，我自認已經努力配合學校，但學校一直覺得我在反抗，這可能是一個認知上的差別。

舉例來說，我小學的時候不想睡午覺，可是老師說大家都一定要睡午覺，不睡午覺的人要罰抄課文，所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定，可是以老師的立場會覺得我在反抗，學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍，同學和老師好像都只有一個活著的目標，就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍，感覺好像活在平行宇宙一樣。

• 高中休學後，您去唱片行工作，可否談談當時的想法？

我國中開始聽音樂，這是我除了看書之外的重要興趣，我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候，我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧！所以我就去了唱片行，這是唯一一個我會做又有興趣的工作，還好那時候還有很多唱片行（笑）。

• 對音樂的熱忱，讓您與朋友共組了樂團，並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處？

有些人覺得我這樣很跳 tone，但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西，兩者也有相同之處，例如它們都需要創造性，也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明，音樂演奏也需要遵循結構，例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生，其他都是女生，可能我真的天生對框架有點遲鈍，玩團之後才發現：「怎麼大家都是男生？」

• 也就是說，目前數學學術圈仍是男性主導，在研究路上，您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎？您怎麼面對？

有。那感覺很明顯，日復一日地要去面對，尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候，特別有感。

我遇到時的反應就是，在心裡暗罵一句髒話，然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法，感覺那是浪費時間，就算環境給我的阻礙是這樣，我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單，現在我也當過老師，有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負，或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛，覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況？甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題？可以確定的是，學術界許多性別不平等問題未受到重視。

• 您現在已經有傑出的研究成果，還會因為性別而遭受質疑嗎？

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時，有時候學生會因為我是女教授，而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹，所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上，下面坐的可能都是男學生，只有一兩個女學生，那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題，似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

• 看到您最近的研究和人工智慧（AI）有關，為何會想往這個方向發展？

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾，看看 AI 下圍棋，讚嘆「哇！好厲害！」這樣就好，可是我覺得我一定可以真的去理解它，這可能就是數學家的自大吧！

另一方面，我知道對科學研究來說，未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念，我可能會用到這個新工具，或以後我可能會需要教這樣的課，因為學生是下一代的科學家。因為這些原因，我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡，也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題，是 AI 有可能幫得上忙的，我看到了一些潛力。

• 弦論和 AI 感覺差距很大，AI 也可以應用到弦論的研究嗎？

乍看之下，弦論的確比較抽象，也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性，我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論，是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰，在沒有現成的演算法可以用的情形之下，可以自己做出需要的功能嗎？這過程我覺得也非常很有趣，而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情，我覺得很有挑戰性，也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外，我也試著物理研究當做靈感來源，找出新的 AI 的可能性，我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作，嘗試做出一些創新的演算法，真的還蠻有趣的。

• AI 對您而言是全新的領域，您如何面對跨領域遇到的門檻？

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎？其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家，但去了一個新的領域，我學得不會比二十歲的人快，要怎麼去跟人家競爭？是不是在浪費時間？

但也會想，與其想這麼多，不如先做再說。到目前為止我做了兩年多，感覺還蠻好的，我有學到東西，也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是，去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦，但就結果論來說，我還蠻開心能當一位科學家！

延伸閱讀

1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光（Monster and Moonshine），《數學傳播》