お湯が冷たい水より早く凍るのはなぜか

1963年、タンザニアの高校生Erasto Mpembaは、クラスでアイスクリームを作っていたとき、まだ熱いうちに砂糖とミルクを入れて焦って冷ましてしまいました。

物理学の教授の助けを借りて、ムペンバはさらに、沸騰したばかりの水と温かい水の2つのグラスを冷凍庫に入れ、どちらが先に凍結のゴールに達するかを見る実験を行いました。 すると、温度が高い方が先に凍ることが多いのだ。 彼らの観察は、今ではムペンバ効果と呼ばれる、直感に反する現象の存在と詳細をめぐる数十年にわたる議論を引き起こしました。

現在、8月5日に学術誌『ネイチャー』に掲載された新しい研究は、ムペンバ効果が存在することを示すだけでなく、それがどのように発生するかに光を当てています。

サイモン・フレーザー大学の物理学者アビナッシュ・クマールおよびジョン・ベクホーファーは、研究が驚くほど複雑な水を凍らせる実験を行うのではなく、ミクロのガラス ビーズに照準を合わせ、レーザーを当てました。 彼らは、水中の非常に特殊な条件下で、ガラスビーズがどのように動くかを測定し、ある状況下では、非常に高温でスタートしたビーズが、そうでないビーズよりも速く冷却されることを確認しました。 バージニア大学の理論物理学者Marija VuceljaがScience Newsに語っています。 また、この実験は、水やガラスビーズ以外の物質でも、この効果が現れる可能性を示唆しています。 Vucelja は、「この効果は、私たちが注目していないだけで、他の場所でも自然界にごく一般的に現れていると想像します」と述べています。

氷点がゴール地点だとすると、初期温度はスタート地点のようなものです。 だから、ゴールまでの距離が短い初期温度の方が、常に最初にゴールに到達するのであれば、理にかなっている。 ムペンバ効果では、高温の水が先にゴールに到達することもあります

しかし、もっと複雑なことがあります。 ひとつには、水には通常、ミネラルなど他のものが混ざっているからだ。 容器の中の水が氷点下になったときなのか、固まり始めたときなのか、それとも完全に固まったときなのか、物理学者の間でも意見が分かれています。 これらの詳細が、この現象を直接研究することを難しくしていると、Anna Demming は Physics World に書いています。

新しい実験では、ムペンバ効果を不明瞭にしている詳細が取り除かれています。 各テストでは、水の入った小さな井戸に、1 つの微小なガラス ビーズを落としました。 そこで、レーザーでビーズに制御された力を加え、ビーズの温度を測定したのです（サイエンスニュース）。

レーザーによる特定の力を受けると、最も高温のビーズは、低温のビーズよりも速く冷却されました。 この研究は、高温から凝固点までのより長い経路が、高温のビーズの温度が低温のビーズよりも先にゴール地点に到達できるようなショートカットを作り出すかもしれないことを示唆しています。

Bechhoefer は Physics World に対して、ムペンバ効果を描くための「抽象的」かつ「ほとんど幾何学的」な方法としてこの実験系を説明しています。 しかし、このシステムを使用して、彼とKumarは、ムペンバ冷却効果に最適な「初期温度」を特定しました。

「それは一種の、水と氷のすべての特殊性、つまり元の効果を非常に研究しにくくしたすべてのものが、ある意味で周辺的であるかもしれないことを示唆しています」とBechhoeferはフィジックスワールドに語っています。