为了调查这些理论上的预感是否有任何现实基础,拉兹和卢志跃找到了实验员贝希霍夫 。"贝希赫费尔(Bechhoefer)回 忆说:"实际上,他们在一次谈话后抓住我说:'我们有一些东西想让你听听'" 。
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探索景观
贝希赫费尔(Bechhoefer)和他的合作者阿维拉什·库玛(Avinash Kumar)想出的实验装置提供了一个高度概念化的、脱胎于不同力量影响下的粒子集合的视角 。一个代表粒子的微观玻璃珠被放置在一个用激光创造的W形 "能量景观 "中 。在这个景观中,两个山谷中较深的是一个稳定的休息场所 。较浅的山谷是一个 "可转移的 "状态 。粒子可以落入其中,但最终可能被打入较深的井中 。科学家们将这一景观浸没在水中,并使用光学镊子将玻璃珠在其中定位1000次;总的来说,这些试验相当于一个有1000个粒子的系统 。
解释库玛和贝希赫费尔用玻璃珠和激光器进行实验的信息图 。
一个最初的 "热 "系统是玻璃珠可以放在任何地方,因为更热的系统有更多的能量,因此可以探索更多的景观 。在一个 "暖 "系统中,起始位置被限制在靠近山谷的一个较小的区域 。在冷却过程中,玻璃珠首先落入两个井中的一个,然后花较长时间在它们之间来回跳动,受到水分子的冲击 。当玻璃珠稳定地在每个井中花费特定的时间时,例如20%的时间在易变的井中,80%的时间在稳定的井中,冷却才算完成 。(这些比例取决于水的初始温度和谷底的大小) 。
对于某些初始条件,热的系统比暖的系统需要更长的时间来确定最终的配置,这与我们的直觉相符 。但有时热系统中的粒子更快进入井中 。当实验参数调整得恰到好处时,热系统的粒子几乎立即找到了它们的最终构型,比暖系统的冷却速度快得多--这种情况是拉兹、武切利亚及其同事预测的,并被命名为强姆潘巴效应 。他们在2020年的《自然》杂志论文中报告了这一结果,并在今年早些时候的《美国科学院院刊》上发表了显示逆向姆彭巴效应的类似实验 。
西班牙格拉纳达大学的劳尔·里卡·阿拉尔孔(Raúl Rica Alarcón)说:"这些结果很清楚,他正在研究与姆潘巴效应有关的独立实验 。"它们表明,一个离目标较远的系统可以比另一个离目标较近的系统更快地到达这个目标 。"
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然而,并不是所有人都完全相信姆潘巴效应已经在任何系统中得到了证明 。"我总是读这些实验,我对写的东西没有印象,"伯里奇说 。"我从来没有找到一个明确的物理解释,我觉得这给我们留下了一个有趣的问题,即类似姆潘巴的效应是否以一种有意义的方式存在 。"
贝希赫费尔的试验似乎为姆潘巴效应如何在具有可转移状态的系统中产生提供了一些见解,但它是否是唯一的机制,或者任何特定的物质如何经历这种非平衡的加热或冷却都是未知的 。
确定这种现象是否发生在水中仍然是另一个开放的问题 。4月,欧仁·拉兹(Oren Raz)和他的研究生罗伊·霍尔兹曼(Roi Holtzman)发表了一篇论文,显示姆潘巴效应可能通过一种相关的机制发生,拉兹以前曾用卢志跃描述过在经历二阶态变的系统中,这意味着其固体和液体形式不能在同一温度下共存 。水不是这样的系统(它有一阶态变),但贝希赫费尔将这项工作描述为逐渐潜移默化地为水找到了答案 。
如果不出意外的话,关于姆潘巴效应的理论和实验工作已经开始给物理学家提供了一个进入非平衡系统的入手点,而这正是他们所缺乏的 。"拉兹说:"向平衡状态放松是一个重要的问题,坦率地说,我们没有一个好的理论 。识别哪些系统可能以奇怪和反直觉的方式行事,"将使我们更好地了解系统如何向平衡状态放松" 。
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