В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба делал мороженое на уроке кулинарии. Торопясь занять место в переполненной морозилке, он сунул туда смесь ещё горячей и его мороженое застыло первым. Быстрее, чем у тех, кто терпеливо ждал, пока их смесь остынет.
Учитель физики, услышав об этом, отмахнулся: ерунда, мальчик что-то напутал. Но Мпемба не забыл.
Через несколько лет в школу приехал профессор физики из Университетского колледжа Дар-эс-Салама — Денис Осборн. Мпемба поднял руку и спросил в лоб: если поставить в морозилку два одинаковых контейнера с водой, горячую и холодную, может ли горячая замёрзнуть раньше?
Осборн начал объяснять, почему это невозможно. Потом замолчал. Вернулся в университет, проверил и обнаружил, что школьник прав.
В 1969 году вышла их совместная статья. Прошло больше полувека. Физики до сих пор не договорились.
Парадокс, которого быть не должно
Логика проста: холодная вода уже ближе к нулю, значит, ей меньше остывать. Горячей предстоит весь путь: сначала догнать холодную, потом ещё и замёрзнуть. Где тут место для фокусов?
Но вода это не шарики в учебнике физики. Она живёт водородными связями, меняет плотность при охлаждении, растворяет газы, испаряется, крутит конвекционные вихри. Где-то в этой толще процессов и прячется ответ. Или ответов несколько и каждый срабатывает при своих условиях.
Гипотеза первая: испарение
Горячая вода испаряется быстрее — это очевидно. Если взять два открытых стакана по 100 миллилитров, к моменту замерзания в горячем останется меньше воды. Меньше массы — меньше времени. Всё просто.
Но эффект видели и в закрытых контейнерах, где испаряться некуда. Плюс если дело только в потере массы, то это вообще не парадокс, а подмена: мы сравниваем разные объёмы.
И всё же в быту, а Мпемба наблюдал именно быт, испарение работает. Мы редко герметизируем кастрюли перед заморозкой. И если эффект хотя бы иногда объясняется испарением, это уже говорит что-то важное: реальная физика грязнее лабораторной.
Гипотеза вторая: переохлаждение и кристаллизация
Холодная вода умеет застревать в подвешенном состоянии — оставаться жидкой даже ниже нуля. Это происходит, когда ей не за что зацепиться: мало пузырьков, царапин на стенках, пылинок. Молекулы не знают, с чего начать превращение в лёд, и зависают в метастабильном состоянии.
Горячая вода другая. Она активнее трётся о стенки сосуда, выделяет растворённые газы, создаёт микротурбулентность. Центров кристаллизации больше. Достигает нуля — и сразу замерзает, без задержек. Холодная может зависнуть в переохлаждении и формально замёрзнуть позже, хотя по температуре готова давно.
Только вот вопрос: что считать замерзанием? Если момент перехода через ноль — то переохлаждённая вода уже холоднее замёрзшей. Если образование льда — то да, горячая обгоняет. Семантика, но важная.
Наука часто спотыкается о собственные определения.
Гипотеза третья: конвекция
В горячей воде бурлит. Тёплые слои со дна поднимаются вверх, холодные с поверхности падают вниз. Вся толща быстро «узнаёт» о морозилке. Холодная вода вязкая, почти неподвижная — информация о холоде доходит до неё медленнее.
Убедительно. Но тогда почему эффект не повторяется стабильно? Почему в одних экспериментах работает, в других — нет? Может, дело в форме контейнера. Или в материале. Или в том, как крутит воздух морозилка. Конвекция зависит от сотни мелочей, и именно поэтому её невозможно вычленить как единственную причину.
Гипотеза четвёртая: растворённые газы
Горячая вода теряет газы и они выходят при нагревании. Газы влияют на термодинамику: теплоёмкость, температуру замерзания, вязкость. Может, «дегазированная» вода и правда замерзает быстрее?
Некоторые эксперименты показывают связь. Но эффект такой слабый, что тонет в шуме других факторов. К тому же вода тут же насыщается газами из воздуха — граница между «чистой» и «обычной» водой размыта до бессмысленности.
Гипотеза пятая: водородные связи
В 2013 году китайские физики предложили объяснение на молекулярном уровне. При нагревании водородные связи между молекулами растягиваются и ослабевают. Молекулы запасают больше энергии в виде потенциала связей. Когда вода остывает, эта энергия высвобождается быстрее, чем если бы вода была холодной изначально.
Элегантно. Но эксперименты не подтвердили однозначно. Эффект если и есть, то невероятно чувствителен: к чистоте воды, типу контейнера, скорости охлаждения. В одних условиях проявляется, в других — исчезает. Как будто это не одно явление, а несколько разных, случайно носящих одно имя.
Скептики: а есть ли эффект вообще?
Параллельно с попытками объяснить растёт число тех, кто вообще сомневается в существовании эффекта. В 2016 году вышла работа: если тщательно контролировать всё, объём воды, материал контейнера, его форму, температуру морозилки, способ измерения и тогда эффект исчезает. То, что мы принимаем за парадокс, это просто небрежность эксперимента.
Другие возражают: требовать идеального контроля это значит убивать явление. Эффект Мпембы интересен тем, что живёт в реальных условиях, где действуют десятки факторов сразу. Уберите испарение, конвекцию, примеси, вариации температуры — получите стерильную модель, которая ничего не скажет о воде в обычной морозилке.
Спор старый: что реальнее — упрощённая модель, которую можно просчитать, или сложная система, которую можно только наблюдать?
Демократичность науки: открыть может каждый
История Мпембы — напоминание, что наука не принадлежит только академии. Мальчик без специального образования заметил то, что ускользало от физиков столетиями. Задал вопрос, который казался наивным, — а ответа не оказалось.
Это не случайность. Профессионалы слепнут от привычки. Они знают, как «должно быть», и перестают видеть, как «есть». Ребёнок, делающий мороженое, свободен от этого. Он просто видит: моё застыло первым. Почему?
Чтобы превратить наблюдение в научную проблему, нужны инструменты: эксперименты, измерения, теории. Но первый шаг это удивление перед очевидным и он доступен всем. И часто он самый важный.
Наука начинается не в лаборатории. Она начинается в моменте, когда что-то не сходится.
Белые пятна в простых вещах
Эффект Мпембы это не единственная загадка воды. Мы до сих пор толком не понимаем, почему лёд скользкий. Почему вода плотнее всего при 4 градусах, а не при нуле. Почему её теплоёмкость аномально растёт при низких температурах. Вода — самая изученная жидкость на планете. И одна из самых загадочных.
Это парадоксально. Мы умеем рассчитывать траектории зондов к Плутону, предсказывать квантовые эффекты в кремнии, читать геномы. Но не можем объяснить, почему горячая вода иногда замерзает быстрее холодной.
Может, дело в том, что вода слишком близко. Мы пользуемся ею каждый день, и эта привычность создаёт иллюзию понимания. А может, наоборот: вода настолько сложна в своей простоте, что для её описания нужны инструменты, которые мы ещё не придумали.
Наука опережает язык
Чем дальше наука уходит от бытовых масштабов в квантовый микромир или в космологию ранней Вселенной, тем сильнее разрыв между формулами и интуицией. Мы можем записать уравнение Шрёдингера, но не можем представить электрон «в двух местах сразу». Знаем, что пространство-время искривляется, но не можем вообразить, как это выглядит.
Эффект Мпембы показывает: этот разрыв есть и в самых обыденных вещах. Мы живём среди явлений, которые кажутся понятными, но на деле таят слои сложности, недоступные прямому восприятию. И это не провал науки, а это её честность. Наука не обещает сделать мир прозрачным. Она обещает задавать всё более точные вопросы.
Но язык отстаёт. Мы описываем квантовые процессы словами из механики твёрдых тел. Называем что-то «парадоксом», когда это просто явление без удобной метафоры. Говорим «горячая вода замерзает быстрее», будто это простое предложение, а за ним месиво определений: что такое «быстрее», что такое «замерзание», какие условия считать одинаковыми.
Наука опережает человеческий язык всё чаще. Эффект Мпембы — хороший пример. Мы можем описать десяток механизмов, влияющих на скорость замерзания. Но не можем свести их к одному внятному объяснению на одну фразу.
Может, такого объяснения и нет.
Наблюдательность как метод
Что остаётся после всех этих гипотез и опровержений? Остаётся право замечать. Не обязательно объяснять — но замечать, фиксировать, задавать вопросы.
Мпемба не решил проблему. Он просто указал на неё. И этого хватило, чтобы десятки физиков потратили годы на попытки разобраться. Не все вопросы требуют немедленных ответов. Иногда вопрос ценен сам по себе — как напоминание, что мир сложнее наших моделей.
Наблюдательность это не пассивное созерцание. Это активная работа внимания. Это готовность остановиться и подумать: а почему, собственно? Большинство открытий начинается не с прорывной идеи, а с ощущения, что что-то не так. С зуда несоответствия между ожиданием и реальностью.
Мы живём в мире, где информации больше, чем способности её переварить. Но информация — это не знание. Знание начинается там, где мы перестаём пролистывать и начинаем всматриваться.
Финал без ответа
Горячая вода иногда замерзает быстрее холодной. Мы не знаем, почему. Или знаем несколько возможных «почему», но не можем выбрать главное. Или эффект зависит от такого количества переменных, что универсального объяснения не существует.
Можно воспринять это как провал. Можно — как повод для смирения. Можно — как приглашение продолжить наблюдение.
Я склоняюсь к последнему. Эффект Мпембы ценен не ответом, а вопросом. Он показывает: даже в самых простых вещах: в воде, в морозилке, в мороженом, скрывается больше, чем кажется. Что наука не всесильна, но именно поэтому жива. Что любознательность не требует диплома.
И что иногда достаточно просто поставить в морозилку два стакана — горячий и холодный — и посмотреть, что получится.
Если вы дочитали до этого места, значит, вам близок такой способ смотреть на вещи. Здесь, на канале «Грани», я публикую тексты, к которым важно возвращаться и которые часто продолжаются — сразу или спустя время. Подписка нужна не ради уведомлений, а чтобы не терять нить.