Физики из Киотского университета разработали универсальный критерий для определения эффекта Мпембы, который утверждает, что горячие системы остывают быстрее, чем теплые.
То, что горячая вода остывает быстрее, чем теплая, впервые описал Аристотель больше 2000 лет назад. На этот эффект обращали внимание и Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт. Но условия возникновения эффекта оставались неясными вплоть до последнего времени.
В трактате «Метеорологика», написанном в IV веке до нашей эры, рассуждая о замерзанию воды, Аристотель писал: «Нагревание воды способствует ее более быстрому замерзанию: ибо горячее охлаждается быстрее. Поэтому многие люди, когда хотят быстро охладить горячую воду, сначала выставляют ее на солнце».
Объяснение Аристотеля основывалось на концепции антиперистасиса, которая утверждает, что противоположности притягиваются. Хотя с точки зрения современной науки это объяснение вряд ли можно считать корректным, наблюдение Аристотеля считается одним из первых исторических упоминаний явления, которое позже стало известно как эффект Мпембы.
Урок кулинарии
Эффект был заново открыт в 1963 году танзанийским студентом Эрасто Мпемба, который наблюдал это явление во время приготовления мороженого на школьном уроке кулинарии. Позже Мпемба и британский физик Денис Осборн написали научную работу, в которой этот эффект был описан для воды.
В результате своей работы исследователи обнаружили, что эффект Мпембы не ограничивается водой или простыми жидкостями. Он наблюдается в широком спектре физических систем, включая микроскопические. Однако остается серьезная проблема: обнаружение эффекта Мпембы в значительной степени зависит от выбора меры, используемой для отслеживания того, насколько далека система от равновесия.
Поскольку существует бесконечно много возможных мер, эффект, наблюдаемый с помощью одной меры, может не проявиться в течение конечного времени при использовании другой. Традиционные подходы часто оценивают скорость релаксации — скорость, с которой система возвращается к равновесию после изменения температуры, — с помощью единственной, монотонной меры. Но это может дать вводящие в заблуждение результаты.
Универсальный критерий с использованием термомажорирования
Это проблемы побудили группу исследователей из Киотского университета разработать универсальный критерий для определения эффекта Мпембы, который не зависит от одного показателя. Их подход использует теорию термомажорирования — математическую основу, которая объединяет различные меры расстояния. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
«Наше исследование доказывает, что использование термомажорирования эквивалентно одновременному рассмотрению всех монотонных мер», — говорит соавтор работы Тан Ван Ву.
Используя эту теорию, Ву и его коллега Хисао Хаякава смогли предоставить строгий критерий для оценки скорости тепловой релаксации, устранив неоднозначность предыдущих исследований и создав строгую основу для измерения эффекта Мпембы.
Исследование показало, что эффект не ограничивается определенным температурным диапазоном, а может проявляться в широком спектре температурных условий. «Этот удивительный результат позволяет предположить, что эффект Мпембы отражает более универсальный базовый механизм, чем считалось ранее», — говорит Ву.
Работы физиков позволяют по-новому взглянуть на фундаментальные принципы, определяющие динамику тепловой релаксации, а также имеют потенциальное применение в повышении эффективности тепловых двигателей и технологий охлаждения. Эти наблюдения принесут пользу в области квантовых вычислений и биофизики.
Парадоксы термодинамики
Что такое термодинамика Можно ли нарушить второй закон термодинамики: демон Максвелла В квантовом мире время может течь и вперед и назад
Но, по словам Ву и Хаякавы, остается важный вопрос: каков минимальный временной интервал, на котором может проявиться эффект термомажорирования эффекта Мпембы? Изучение этого аспекта с помощью предельных скоростей может помочь установить фундаментальные ограничения динамики релаксации. Следует отметить, что физики научились измерять и регистрировать эффект Млембы, но сам квантовый механизм процесса все еще остается неописанным.