Удивительная физика эффекта Мпембы
В 1963 году любознательный подросток из Танзании обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем теплая. Как это иногда бывает в науке, открытый им эффект изменил наше понимание реальности.
Почти все уравнения и явления в физике, да и в естественных науках в целом, названы в честь ученых, посвятивших свою жизнь глубокому изучению определенной области. И все же, наряду с этим почетным списком личностей, включая Ньютона и Паскаля, Хокинга и Эйнштейна, Галилея и Фейнмана, находится 13-летний подросток из Танзании. Любознательный ученик Эрасто Мпемба в 1963 году совершенно случайно открыл физический эффект, который с тех пор носит его имя, хотя он был известен еще древним грекам.
Мпемба заметил удивительное явление во время урока кулинарии в средней школе — казалось бы, последнее место, где должна родиться новая наука. Все началось, когда Мпембе и его одноклассникам было поручено приготовить мороженое из смеси, которую вскипятили, а затем охладили до комнатной температуры перед тем, как поместить в морозильную камеру. Мпемба не успел хорошо охладить свою смесь, но опасался, что если будет ждать слишком долго, в морозилке для нее не останется места. В отчаянии он поспешил поставить горячую смесь прямо в морозилку, рядом со смесями своих друзей, которые успели остыть. И вот, к удивлению всех, его горячая смесь замерзла быстрее.
От школьного эксперимента к научной дискуссии
Мпемба повторил эксперимент с теми же результатами. Но когда он попросил учителя объяснить явление, тот ответил насмешкой. Одноклассники смеялись и называли историю «физикой Мпембы». Спустя несколько лет юный Мпемба встретил британского физика Денниса Осборна, который преподавал в развивающейся академической системе «черного континента». Осборн выслушал молодого человека с уважением и решил проверить это в лаборатории. В 1969 году они опубликовали статью под названием «Cool?», в которой рассматривали явление с наблюдательной точки зрения, не давая ему полного научного объяснения.
В серии экспериментов они поместили в морозильную камеру два сосуда, содержащих по 70 мл воды при разных температурах. Выяснилось, что когда начальная температура воды была выше 30 градусов Цельсия, повышение температуры в некоторых случаях приводило к сокращению времени, необходимого для замерзания.
Почему это происходит?
В другой статье, опубликованной позже в том же году, канадский физик Дж. С. Келл попытался дать объяснение. Он утверждал, что горячая вода теряет массу из-за испарения, поэтому требуется меньше энергии для её охлаждения. Кроме того, процесс испарения удаляет из системы много тепла. Проблема в том, что эффект Мпембы происходит и в закрытых сосудах, где масса остается постоянной.
Более того, явление противоречит закону охлаждения Исаака Ньютона, который связывает скорость потери тепла с разницей температур между телом и средой. Согласно классической физике, горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а затем уже замерзнуть. Этот разрыв в понимании на долгое время оставил эффект Мпембы приятной историей, за которой скрывался большой теоретический спор.
Статистическая механика и новые горизонты
В последние годы появились первые трещины в броне скептицизма, благодаря развитию статистической механики в условиях отсутствия равновесия. Эта область изучает, как многочастичные системы меняются до достижения стабильного состояния. Оказалось, что физика Мпембы — это целый «зоопарк» эффектов, проявляющихся в полимерах, магнитных и даже квантовых системах.
В 2017 году физик Орен Раз из Института Вейцмана и его коллега Живэ Лу из Университета Северной Каролины показали, что когда система выталкивается далеко от равновесия, она может находить уникальные короткие пути, где самые медленные траектории не проявляются. Таким образом, система достигает равновесия очень быстро.
От мороженого к квантовым вычислениям
В 2023 году исследовательская группа, включая докторанта Шахаф Ахарони-Шапиру, обнаружила проявления эффекта Мпембы в квантовых системах ионов и лазеров. Более того, был зафиксирован «обратный эффект Мпембы», при котором холодная система нагревается быстрее, чем изначально горячая.
Недавно группа физиков под руководством Джона Гулда из Тринити-колледжа в Дублине сформировала единую теоретическую базу для этого явления. Они показали, что системы, использующие большее количество определенного физического ресурса для достижения цели, способны расходовать его с высокой скоростью. Создав новую парадигму, физика Мпембы переходит на следующий этап, где ученые продолжат разгадывать секреты этого удивительного природного феномена.
