Почему горячая вода иногда замерзает быстрее холодной
Если поставить в морозилку два одинаковых лотка с водой, один с горячей, другой с холодной, первой застынет... горячая. Звучит как ошибка наблюдения, но с этим сталкивались и школьники, и профессиональные физики.
У странности есть имя - эффект Мпембы. Назван в честь танзанийского школьника, который в 1960-х заметил, что горячая смесь для мороженого застывает раньше холодной. С тех пор учёные не могут договориться, существует ли эффект вообще и как его объяснять.
Школьник, который перепутал учителя
Эрасто Мпемба учился в школе в Танзании и однажды получил задание сделать мороженое. Он заметил, что подслащённое молоко, которое он нагрел, застывает в формочке быстрее, чем холодное. Учитель посчитал это ошибкой и поставил двойку.
Мпемба не сдался и позже задал вопрос уже физику Денису Осборну из Дар-эс-Салама. Тот проверил и подтвердил: в некоторых условиях горячая жидкость действительно замерзает раньше. В 1969 году они опубликовали работу, и явление попало в научный оборот.
Что именно пытались проверить
Сам по себе вопрос звучит просто: если две одинаковые ёмкости с водой разной температуры поставить в морозилку, какая застынет первой? Интуиция подсказывает, что холодная, ведь ей нужно остыть меньше. Но в реальных экспериментах результаты раз за разом оказывались противоречивыми.
В 2016 году физики Генри Бёрридж и Пол Линден из Университета Южной Австралии устроили проверку с участием нескольких исследователей. Они взяли одинаковые контейнеры, контролировали температуру и фиксировали момент появления льда. Эффект удалось воспроизвести, но не у всех и не всегда. Это навело на мысль, что дело не в самой воде, а в условиях опыта.
Почему условия решают всё
В обычной морозилке вода не замерзает мгновенно. Сначала она охлаждается до нуля, потом должна отдать скрытую теплоту, и только затем превращается в лёд. На каждом из этих этапов могут вмешаться переохлаждение, испарение, конвекция и наледь на стенках.
Горячая вода быстрее испаряется, и её в контейнере остаётся меньше. Меньше масса - меньше времени на застывание. Ещё тёплая жидкость активнее перемешивается, и температура распределяется равномернее, а холодная может расслоиться. Наконец, горячая вода лучше растапливает иней на дне морозилки, обеспечивая лучший контакт с холодной поверхностью.
Ни один из этих механизмов не объясняет эффект целиком. В одних опытах решающим оказывалось испарение, в других - конвекция, в третьих - состояние контейнера. Поэтому воспроизводимость хромает: чуть изменил посуду или крышку, и результат уже другой.
Скептики против верующих
Часть научного сообщества относится к эффекту с осторожностью. В 2016 году Бёрридж и Линден выпустили обзор, где пришли к выводу: убедительных доказательств существования эффекта Мпембы в строго контролируемых условиях пока нет. Слишком много факторов нужно учесть, чтобы исключить все альтернативные объяснения.
Другие исследователи продолжают находить подтверждения в новых экспериментах. В 2020 году команда из Университета Саутгемптона наблюдала эффект на микрочастицах в воде, что добавило аргументов в пользу реальности явления. Спор идёт не о том, существует ли он вообще, а о том, можно ли его стабильно повторить и объяснить одной теорией.
Пока ясности нет, эффект Мпембы остаётся редким примером научной загадки, которую каждый может проверить на своей кухне. Правда, для чистого эксперимента понадобится не одна морозилка и немало терпения.