Fizika arról, hogy a forró víz miért fagy néha gyorsabban, mint a hideg víz

A történet szerint 1963-ban egy tanzániai középiskolás, Erasto Mpemba fagylaltot készített az osztályával, amikor türelmetlenül beletette a cukor és tej keverékét a fagylaltkeverőbe, amikor még forró volt, ahelyett, hogy előbb hagyta volna kihűlni. Meglepetésére az édesség gyorsabban lehűlt, mint az osztálytársaié.

Egy fizika professzor segítségével Mpemba további kísérleteket végzett: két pohár vizet, egy éppen forraltat és egy meleget tett a fagyasztóba, és megnézte, melyikük ér előbb a fagyási célba. Gyakran a magasabb kezdőhőmérsékletű víz fagyott meg először. Megfigyeléseik évtizedekig tartó vitát indítottak el a ma már Mpemba-effektusnak nevezett, ellentmondásos jelenség létezéséről és részleteiről.

Most, a Nature folyóiratban augusztus 5-én megjelent új kutatás nemcsak azt mutatja, hogy az Mpemba-effektus valóban létezik, hanem arra is fényt derít, hogyan jelentkezik – írja Emily Conover a Science News számára.

Ahelyett, hogy a megfagyott vízzel kísérleteztek volna, amelynek tanulmányozása meglepően bonyolult, Avinash Kumar és John Bechhofer fizikusok a Simon Fraser Egyetemről mikroszkopikus üveggyöngyökre irányították tekintetüket – és lézereiket. Megmérték, hogyan mozognak az üveggyöngyök nagyon speciális körülmények között a vízben, és azt látták, hogy bizonyos körülmények között azok a gyöngyök, amelyek nagyon forrón indultak, gyorsabban lehűlnek, mint azok, amelyek nem.

“Ez egy ilyen nagyon egyszerű elrendezés, és már elég gazdag ahhoz, hogy kimutassa ezt a hatást”. mondja Marija Vucelja, a Virginiai Egyetem elméleti fizikusa a Science Newsnak. A kísérlet arra is utal, hogy a hatás a vízen és az üveggyöngyökön kívül más anyagokban is megmutatkozhat. Vucelja azt mondja: “El tudnám képzelni, hogy ez a hatás egészen általánosan megjelenik a természetben máshol is, csak eddig nem figyeltünk fel rá.”

Ha a fagyáspont a célvonal, akkor a kezdeti hőmérséklet olyan, mint a kiindulási pont. Így lenne értelme, ha egy alacsonyabb kezdőhőmérsékletű, a céltól kisebb távolságra lévő ember mindig elsőként érné el a célt. Az Mpemba-effektussal néha a melegebb víz éri el először a célvonalat.

De a dolog ennél bonyolultabb. Egyrészt a vízbe általában más dolgok is keverednek, például ásványi anyagok. És a fizikusok nem értettek egyet abban, hogy pontosan mi is a célvonal: az, amikor a víz egy tartályban eléri a fagyási hőmérsékletet, elkezd megszilárdulni, vagy teljesen megszilárdul? Ezek a részletek megnehezítik a jelenség közvetlen tanulmányozását, írja Anna Demming a Physics World számára.

Az új kísérlet megszünteti azokat a részleteket, amelyek az Mpemba-effektust olyan homályossá teszik. Minden egyes kísérletben egy-egy mikroszkopikus üveggyöngyöt dobtak egy kis kútnyi vízbe. Ott egy lézerrel irányított erőket gyakoroltak a gyöngyre, és megmérték a gyöngy hőmérsékletét, a Science News szerint. A tesztet több mint 1000-szer ismételték meg, különböző kutakba dobva a gyöngyöket, és különböző hőmérsékletről indulva.

A lézer által kifejtett bizonyos erők hatására a legforróbb gyöngyök gyorsabban lehűltek, mint az alacsonyabb hőmérsékletűek. A kutatás azt sugallja, hogy a magasabb hőmérséklettől a fagyáspontig vezető hosszabb út rövidebb utakat hozhat létre, így a forró gyöngy hőmérséklete előbb ér célba, mint a hidegebb gyöngyé.

Bechhoefer a Physics Worldnek úgy írja le a kísérleti rendszert, mint egy “elvont” és “szinte geometrikus” módot az Mpemba-effektus elképzelésére. De a rendszer segítségével ő és Kumar azonosították az optimális “kezdeti hőmérsékleteket” a Mpemba hűtőhatáshoz.

“Ez azt sugallta, hogy a víz és a jég összes sajátossága – minden, ami miatt az eredeti hatást olyan nehéz volt tanulmányozni – bizonyos értelemben periférikus lehet” – mondja Bechhoefer a Physics Worldnek.