Представьте: вы ставите в морозилку два стакана воды. В одном — кипяток, в другом — вода комнатной температуры. Какой замёрзнет первым?
Здравый смысл подсказывает — холодная. Ведь ей нужно «пройти» меньший путь до нуля градусов. Но реальность иногда расходится со здравым смыслом. Горячая вода может замёрзнуть раньше, и это не фокус или ошибка эксперимента. Это — эффект Мпембы, явления, которое ставит в тупик физиков уже больше полувека.
Школьник против профессоров
История начинается в 1963 году в Танзании. Тринадцатилетний Эрасто Мпемба готовил мороженое на уроке кулинарии. Рецепт простой: вскипятить молоко с сахаром, остудить, поставить в морозилку. Но Эрасто торопился, ведь свободных мест в морозилке оставалось мало, и он поставил туда ещё горячую смесь.
Через полтора часа произошло необъяснимое: его горячая заготовка замёрзла раньше, чем остывшие порции одноклассников. Мпемба спросил учителя физики: почему так? Тот рассмеялся, мол, это «парадокс Мпембы», а не настоящая наука.
Эрасто не отступил и через несколько лет спустя, уже в старшей школе, он задал тот же вопрос приглашённому профессору физики Денису Осборну из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе. Осборн не стал смеяться, а наоборот, провёл эксперименты и подтвердил наблюдение школьника. В 1969 году они опубликовали совместную статью в журнале Physics Education. Тринадцатилетний кулинар вошёл в историю науки.
Что говорит физика
Самое удивительное в эффекте Мпембы — единого объяснения до сих пор нет. Существует несколько конкурирующих гипотез, и ни одна не закрывает вопрос полностью.
Вот основные версии:
- Испарение. Горячая вода активно испаряется, её объём уменьшается. Меньше воды — быстрее замерзает. Логично, но эксперименты в закрытых сосудах всё равно фиксируют эффект.
- Конвекция. В горячей воде возникают мощные конвективные потоки. Они перемешивают жидкость, ускоряя теплоотдачу. Холодная вода остывает «лениво», слоями.
- Растворённые газы. Кипячение выгоняет из воды растворённый кислород и углекислый газ. Дегазированная вода ведёт себя при замерзании иначе — кристаллизуется быстрее.
- Водородные связи. В 2013 году группа сингапурских исследователей из Наньянского технологического университета предложила элегантную гипотезу. При нагревании молекулы воды образуют водородные связи, которые растягиваются. При охлаждении молекулы запасают энергию и «пружинят» обратно, отдавая тепло быстрее обычного.
«Вода — самое изученное и самое непонятое вещество на Земле», — заметил однажды физик Чанг Сунь из Наньянского университета.
Древние знали, но забыли
Мпемба был не первым, кто заметил парадокс. Аристотель в IV веке до нашей эры писал: «Если воду предварительно прогреть, это способствует её скорейшему замерзанию». Фрэнсис Бэкон упоминал то же самое в XVII веке. Рене Декарт — тоже.
Но каждый раз наблюдение забывалось. Академическая наука отмахивалась: ошибка методологии, неконтролируемые условия, субъективные впечатления. Понадобился упрямый танзанийский школьник, чтобы заставить физиков разбираться всерьёз.
Можно ли повторить дома?
Да, но результат не гарантирован. Эффект капризен: он зависит от формы сосуда, объёма воды, температуры морозилки, наличия примесей и ещё десятка переменных. Именно поэтому его так сложно изучать в лабораторных условиях — слишком много факторов действуют одновременно.
Попробуйте взять два одинаковых металлических стаканчика, налить в один кипяток, в другой — воду из-под крана. Поставьте в морозилку и проверяйте каждые 20 минут. Возможно, вы увидите то же, что увидел Мпемба шестьдесят лет назад.
Вода — вещество, с которым мы сталкиваемся каждый день. И она до сих пор преподносит сюрпризы. Может быть, где-то рядом с вами прямо сейчас стоит стакан, готовый опровергнуть учебник физики. Нужно лишь задать правильный вопрос — и не бояться, что над ним посмеются.
А вы пробовали проверить эффект Мпембы на своей кухне? Расскажите в комментариях — сработало или нет?