Парадокс Мпембы горячая вода замерзает быстрее холодной
Главная / Наука / Парадокс Мпембы — способность горячей воды замерзать быстрее холодной
Демонстрация эффекта Мпембы
Эффект Мпембы или парадокс Мпембы гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замерзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.
Странная способность горячей воды в определенных условиях замерзать быстрее, чем холодная, известна человечеству с древнейших времен. Этот эффект упоминается еще у Аристотеля, но в современную науку вошел после домашних экспериментов танганьикского школьника Эрасто Мпембы, и под его именем.
Предыстория открытия
В 1963 году ученик средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить мороженое – вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания.
Мпемба промедлил с выполнением первой части задания и поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.
Он обратился за объяснением к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником. Эффект заинтересовал мальчика, и он проверил его на обычной воде.
Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект. Существует несколько вариантов объяснения этого парадокса, но к единому мнению физики еще не пришли.
Эрасто Мпемба и Дэнис Осборн в 2013 году в Лондоне
Воспроизвести результаты, продемонстрированные Мпембой и его соавтором, профессором Деннисом Осборном (Denis Osborne), удается не всегда, однако свидетельств в пользу этого странного эффекта, имеется достаточно много.
Но вот объяснения «парадоксу Мпембы» нет до сих пор.
Нагретые водородные связи способствуют образованию структуры льда
Еще в 2012 г. британское Королевское химическое общество объявило конкурс гипотез, объясняющих этот феномен, получив более 22 тыс. статей от ученых всего мира, однако ни одна из них не убедила большинство членов экспертной комиссии. Наиболее популярным объяснением остается испарение: горячая вода испаряется быстрее холодной, поэтому объем ее уменьшается немного быстрее, облегчая замерзание.
Свойства замерзания горячей (красная линия) и холодной (синяя линия) воды
С другой стороны, и этот вариант нельзя назвать окончательным: эффект Мпембы демонстрировался и в условиях, исключавших испарение. Новое объяснение предложили недавно ученые из Китая и США, статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation.
Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах.
Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются.
По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.
Эффект Мпембы — Мастерок.жж.рф — LiveJournal
В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос — почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?
Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу.
Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.
Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее.
Вам интересно узнать почему так происходит ? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …
Водородные связи O:H-O в кристалле льда. (Рисунок из arXiv:1310.6514v1 [physics.chem-ph])
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен ещё Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.
Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.
Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.
В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию.
Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.
Вот какие предположения выдвигаются учеными:
Испарение
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100°С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0°С. Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, из-за испарения понижается её температура.
Разница температур
Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше – следовательно, теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.
Переохлаждение
Когда вода охлаждается ниже 0°С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания.
Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Конвекция
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Если охладить воду до 4°С и поместить её в среду с более низкой температурой, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4°С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше, и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Теплопроводность
Этот механизм может играть существенную роль, когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного.
В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос – какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы – так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлаждённого состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при её кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно – воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент.
Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.
А вот как говорят, наиболее вероятная причина.
Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.
На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.
[источники]
источники
http://www.vesti.ru/doc.html?id=1150273
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9C%D0%BF%D0%B5%D0%BC%D0%B1%D1%8B
http://www.t-z-n.ru/precold/docs/intmpemba.
pdf
http://science.ua/2010/03/30/mpemba-effect-why-hot-water-can-freeze-faster-than-cold/
http://www.chemport.ru/datenews.php?news=3358
Давайте я вам еще напомню, что такое Ледяной палец смерти, а так же что такое Эффект прыгающей капли и очень эффектная Капля «принца Руперта»
Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=60715
Tags: Наука
Telegram channel
Почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная
Эффект Мпембы. Изображение: Джеймс Браунридж (PhysOrg.com) — Ученые из поколения в поколение знали, что горячая вода иногда может замерзать быстрее, чем холодная, эффект, известный как эффект Мпембы, но до сих пор не понимали, почему. Было предложено несколько теорий, но один ученый считает, что у него есть ответ.
Теории эффекта Мпембы включали:
- более быстрое испарение горячей воды, что уменьшает объем, остающийся для замораживания
- образование инея на холодной воде, изолирующего ее
- различные концентрации растворенных веществ, таких как углекислый газ, который отгоняется при нагревании воды
Проблема в том, что эффект проявляется не всегда, а холодная вода часто замерзает быстрее, чем горячая.
Сотрудник по радиационной безопасности Университета штата Нью-Йорк Джеймс Браунридж последние десять лет изучал эффект в свободное время, проведя сотни экспериментов, и теперь говорит, что у него есть доказательства того, что имеет место переохлаждение. Браунридж сказал, что он обнаружил, что вода обычно переохлаждается при 0°C и начинает замерзать только ниже этой температуры. Температура замерзания определяется примесями в воде, которые вызывают образование кристаллов льда. Все примеси, такие как пыль, бактерии и растворенные соли, имеют характерную температуру зародышеобразования, и когда присутствует несколько примесей, точка замерзания определяется той, у которой самая высокая температура зародышеобразования.
В своих экспериментах Браунридж взял две пробы воды одинаковой температуры и поместил их в морозильную камеру. Он обнаружил, что один обычно замерзает раньше другого, по-видимому, из-за немного другого состава примесей. Затем он вынул образцы из морозильника, нагрел один до комнатной температуры, а другой до 80°C, а затем снова заморозил. Результаты показали, что если разница в температуре замерзания составляла не менее 5 ° C, тот, у которого была самая высокая температура замерзания, всегда замерзал раньше другого, если его нагревали до 80 ° C, а затем повторно замораживали.
Браунридж сказал, что горячая вода остывает быстрее из-за большей разницы температур между водой и морозильной камерой, и это помогает ей достичь точки замерзания до того, как холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая как минимум на 5°C ниже. Он также сказал, что необходимо контролировать все условия, такие как расположение образцов в морозильной камере и тип контейнера, чего, по его словам, не делали другие исследователи.
Эффект, ныне известный как эффект Мпембы, был впервые отмечен в 4 веке до нашей эры Аристотелем, и многие ученые отмечали то же явление на протяжении столетий со времен Аристотеля. В XIX веке его назвали эффектом Мпембы.60-х годов, когда школьник Эрасто Мпемба из Танзании заявил на уроке естествознания, что мороженое замерзнет быстрее, если его сначала нагреть, прежде чем положить в морозильную камеру. Смех прекратился только тогда, когда школьный инспектор сам попробовал эксперимент и оправдал его.
Дополнительная информация: Эффект Мпембы — статья в Wiki;
Веб-страница Джеймса Д. Браунриджа;
Научная статья «Эффект Мпембы», март 2010 г., автор Джеймс Д. Браунридж;
через Newscientist
© 2010 PhysOrg.ru
Цитата : Эффект Мпембы: почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная (26 марта 2010 г.) получено 25 апреля 2023 г. с https://phys.org/news/2010-03-mpemba-effect-hot-faster-cold.html
Этот документ защищен авторским правом.
Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная
Наука
Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
Автор Адам Манн The Voorhes / Gallery Stock
Сохраненные истории
Эта статья была первоначально опубликована в Quanta.
Это звучит как один из самых простых экспериментов: возьмите две чашки воды: одну горячую, одну холодную. Поместите оба в морозильник и обратите внимание, какой из них замерзнет первым. Здравый смысл подсказывает, что чем холоднее будет вода. Но такие светила, как Аристотель, Рене Декарт и сэр Фрэнсис Бэкон, заметили, что горячая вода на самом деле может остывать быстрее. Точно так же сантехники сообщают, что трубы с горячей водой лопаются при минусовой погоде, а трубы с холодной водой остаются целыми.
Тем не менее уже более полувека физики спорят о том, действительно ли происходит что-то подобное.
Современным термином для обозначения горячей воды, замерзающей быстрее, чем холодной, является эффект Мпембы, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского подростка, который вместе с физиком Денисом Осборном провел первые систематические научные исследования этого явления в 1960-х годах. Хотя они смогли наблюдать эффект, последующие эксперименты не смогли последовательно воспроизвести этот результат. На точность экспериментов по исследованию замораживания может влиять множество тонких деталей, и у исследователей часто возникают проблемы с определением того, учли ли они все смешанные переменные.
За последние несколько лет, пока продолжаются споры о том, возникает ли эффект Мпембы в воде, это явление было замечено и в других веществах — полимерах, льдоподобных твердых телах, называемых клатратными гидратами, и манганитовых минералах, охлаждающихся в магнитном поле. Эти новые направления помогают исследователям заглянуть в сложную динамику систем, находящихся вне термодинамического равновесия.
Группа физиков, моделирующих неравновесные системы, предсказала, что эффект Мпембы должен проявляться в самых разных материалах (наряду с его обратным эффектом, когда холодное вещество нагревается быстрее, чем теплое). Недавние эксперименты, кажется, подтверждают эти идеи.
Однако самое знакомое вещество, вода, оказалось самым скользким.
«Стакан воды, застрявший в морозильной камере, кажется простым делом», — говорит Джон Беххофер, физик из Университета Саймона Фрейзера в Канаде, чьи недавние эксперименты являются одними из самых достоверных наблюдений эффекта Мпембы на сегодняшний день. «Но на самом деле это не так просто, как только вы начинаете думать об этом».
«Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своем открытии, которое произошло благодаря неправильному использованию холодильника». Так начинается 1969 в журнале Physics Education , в которой Мпемба описал случай в средней школе Магамба в Танзании, когда он и его одноклассники готовили мороженое.
В холодильнике учеников было мало места, и в спешке, чтобы схватить последний доступный лоток для льда, Мпемба решил не ждать, пока его смесь из кипяченого молока и сахара остынет до комнатной температуры. Через полтора часа его смесь превратилась в мороженое, а смесь одноклассника, который тоже в спешке пропустил варку и поставил свою молочно-сахарную смесь комнатной температуры прямо в холодильник, так и осталась замороженной. густая жидкая кашица. Когда Мпемба спросил своего учителя физики, почему это произошло, ему ответили: «Вы запутались, этого не может быть».
Позже Осборн пришел на урок физики в старшей школе Мпембы. Он вспомнил, как подросток поднял руку и спросил: «Если вы возьмете два стакана с равным объемом воды, один при температуре 35 ° C, а другой при 100 ° C, и поместите их в холодильник, то тот, который начал при 100 ° C замерзает первым. Почему?» Заинтригованный, Осборн поручил одному из своих техников из университетского колледжа в Дар-эс-Саламе проверить это наблюдение и нашел доказательства эффекта, носящего имя Мпембы.
Тем не менее, Осборн пришел к выводу, что тесты были грубыми и потребуются более сложные эксперименты, чтобы выяснить, что может происходить.
На протяжении десятилетий ученые предлагали множество теоретических объяснений эффекта Мпембы. Вода — странное вещество, менее плотное в твердом состоянии, чем в жидком, и с твердой и жидкой фазами, которые могут сосуществовать при одной и той же температуре. Некоторые предполагают, что нагрев воды может разрушить рыхлую сеть слабых полярных водородных связей между молекулами воды в образце, увеличивая его беспорядок, что затем снижает количество энергии, необходимой для охлаждения образца. Более приземленное объяснение заключается в том, что горячая вода испаряется быстрее, чем холодная, что уменьшает ее объем и, следовательно, время, необходимое для замерзания. Или, возможно, в игру вступают внешние факторы: слой инея в морозильной камере может действовать как изолятор, препятствуя утечке тепла из холодной чашки, тогда как горячая чашка растопит иней и остынет быстрее.
Все эти объяснения предполагают, что эффект реален — что горячая вода действительно замерзает быстрее, чем холодная. Но не все убеждены.
В 2016 году физик Генри Берридж из Имперского колледжа Лондона и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели эксперимент, который показал, насколько чувствителен эффект к особенностям измерения. Барридж и Линден измерили, сколько времени требуется воде, чтобы достичь нуля градусов по Цельсию, и обнаружили, что показания зависят от того, куда они поместили термометр. Если бы они сравнили температуры между горячими и холодными чашками на одной высоте, эффект Мпембы не проявился. Но если бы измерения были ошибочными даже на сантиметр, они могли бы дать ложные доказательства эффекта Мпембы. Изучая литературу, Берридж и Линден обнаружили, что только Мпемба и Осборн в своем классическом исследовании видели слишком выраженный эффект Мпембы, чтобы его можно было приписать такому виду ошибки измерения.
Результаты «подчеркивают, насколько чувствительны эти эксперименты, даже если вы не включаете процесс замораживания», — говорит Берридж.
Тем не менее, многие исследователи считают, что эффект Мпембы возможен, по крайней мере, при определенных условиях. Ведь Аристотель писал в четвертом веке до н.э. что «многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что выставляют ее на солнце», польза от чего, по-видимому, была заметна еще до изобретения чувствительных термометров. Точно так же Мпемба школьного возраста мог заметить неуловимую разницу между его замороженным мороженым и суспензией его одноклассников. Тем не менее, открытия Берриджа и Линдена подчеркивают ключевую причину, по которой эффект Мпембы, реальный или нет, может быть так трудно определить: температура меняется в чашке с быстро остывающей водой, потому что вода не находится в равновесии, а физики очень мало понимают в этом вопросе. неравновесные системы.
В состоянии равновесия жидкость в бутылке может быть описана уравнением с тремя параметрами: ее температура, объем и число молекул. Засунь эту бутылку в морозилку, и все ставки сняты.
Частицы на внешнем краю будут погружены в ледяную среду, а те, что глубже, останутся теплыми. Такие метки, как температура и давление больше не определены четко, а вместо этого постоянно колеблются.
Когда Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в средней школе прочитал об эффекте Мпембы, он пробрался на нефтеперерабатывающий завод в китайской провинции Шаньдун, где работала его мать, и использовал точное лабораторное оборудование для измерения температуры как функции времени в образец воды (в итоге он переохладил воду, не замерзнув). Позже, изучая неравновесную термодинамику в качестве аспиранта, он попытался переформулировать свой подход к эффекту Мпембы. «Существует ли какое-либо термодинамическое правило, которое запрещает следующее: что-то, начиная дальше от конечного равновесия, приближается к равновесию быстрее, чем что-то, начиная с близкого?» он спросил.
Лу познакомился с Ореном Разом, который сейчас изучает неравновесную статистическую механику в Научном институте Вейцмана в Израиле, и они начали разработку основы для исследования эффекта Мпембы в целом, а не только в воде.
В их статье 2017 года в Proceedings of the National Academy of Sciences моделировалась случайная динамика частиц, показывая, что в принципе существуют неравновесные условия, при которых может возникнуть эффект Мпембы и его обратный. Абстрактные результаты показали, что компоненты более горячей системы, благодаря большей энергии, способны исследовать больше возможных конфигураций и, следовательно, обнаруживать состояния, которые действуют как своего рода обход, позволяя горячей системе догнать более холодную, поскольку оба падают. к более холодному конечному состоянию.
«У всех нас есть наивное представление о том, что температура должна изменяться монотонно, — говорит Раз. «Вы начинаете с высокой температуры, затем средней температуры и переходите к низкой температуре». Но для чего-то, выведенного из равновесия, «не совсем верно говорить, что система имеет температуру», и «поскольку это так, у вас могут быть странные короткие пути».
Наводящая на размышления работа привлекла внимание других, в том числе испанской группы, которая начала моделировать так называемые гранулированные жидкости — наборы твердых частиц, которые могут течь подобно жидкостям, например, песок или семена, — и показала, что они тоже может иметь мпемба-подобные эффекты.
Статистический физик Мария Вучеля из Университета Вирджинии начала задаваться вопросом, насколько распространенным может быть это явление. «Это похоже на иголку в стоге сена или может быть полезно для оптимальных протоколов нагрева или охлаждения?» она спросила. В 2019 годуВ исследовании она, Раз и два соавтора обнаружили, что эффект Мпембы может проявляться в значительной части неупорядоченных материалов. Хотя вода не является такой системой, результаты исследования охватывают широкий спектр возможных материалов.
Чтобы выяснить, имеют ли эти теоретические догадки какое-либо реальное основание, Раз и Лу обратились к Беххоферу, экспериментатору. «Буквально, они схватили меня после выступления и сказали: «Эй, у нас есть кое-что, о чем мы хотим, чтобы вы услышали», — вспоминает Беххофер.
Экспериментальная установка, которую придумали Беххофер и его соавтор Авинаш Кумар, предлагает очень концептуальный, упрощенный взгляд на совокупность частиц, находящихся под влиянием различных сил.
Микроскопическая стеклянная бусинка, представляющая частицу, помещена в W-образный «энергетический ландшафт», созданный с помощью лазеров. Более глубокая из двух долин в этом ландшафте является стабильным местом отдыха. Более мелкая долина — это «метастабильное» состояние: частица может упасть в нее, но в конечном итоге может попасть в более глубокую яму. Ученые погрузили этот пейзаж в воду и с помощью оптического пинцета поместили в него стеклянную бусинку 1000 раз; в совокупности испытания эквивалентны системе с 1000 частицами.
Первоначально «горячей» системой была система, в которой стеклянную бусину можно было разместить где угодно, поскольку более горячие системы обладают большей энергией и, следовательно, могут исследовать больше ландшафта. В «теплой» системе стартовая позиция была ограничена меньшей площадью вблизи долин. В процессе охлаждения стеклянная бусинка сначала оседала в одном из двух углублений, а затем в течение более длительного времени прыгала туда-сюда между ними, ударяясь о молекулы воды.
Охлаждение считалось завершенным, когда стеклянные шарики стабилизировались и проводили определенное время в каждой лунке, например, 20 процентов своего времени в метастабильной и 80 процентов в стабильной. (Эти соотношения зависели от начальной температуры воды и размеров долин.)
При определенных начальных условиях горячей системе потребовалось больше времени, чтобы прийти в окончательную конфигурацию, чем теплой системе, что соответствовало нашей интуиции. Но иногда частицы в горячей системе быстрее оседали в колодцах. Когда экспериментальные параметры были настроены правильно, частицы горячей системы почти сразу же нашли свою окончательную конфигурацию, охлаждаясь экспоненциально быстрее, чем теплая система — ситуация, которую Раз, Вучеля и их коллеги предсказали и назвали «сильным эффектом Мпембы». Они сообщили о результатах в 2020 Nature и опубликовал аналогичные эксперименты, показывающие обратный эффект Мпембы в PNAS ранее в этом году.
«Результаты ясны», — говорит Рауль Рика Аларкон из Гранадского университета в Испании, который работает над независимыми экспериментами, связанными с эффектом Мпембы.
«Они показывают, что система, которая находится дальше от цели, может достичь этой цели быстрее, чем другая, которая находится ближе к цели».
Однако не все до конца уверены, что эффект Мпембы был продемонстрирован в любой системе. «Я всегда читаю эти эксперименты, и они меня не впечатляют, — говорит Берридж. «Я никогда не нахожу четкого физического объяснения, и я чувствую, что это оставляет нас с интересным вопросом о том, существуют ли значимые эффекты, подобные Мпембе».
Испытания Беххофера, по-видимому, дают некоторое представление о том, как эффект Мпембы может возникать в системах с метастабильными состояниями, но является ли это единственным механизмом и как конкретное вещество подвергается такому неравновесному нагреву или охлаждению, неизвестно.
Определение того, происходит ли это явление в воде, остается еще одним открытым вопросом. В апреле Раз и его аспирант Рой Хольцман опубликовали статью, показывающую, что эффект Мпембы может происходить через родственный механизм, который Раз ранее описал с Лу в системах, которые претерпевают фазовый переход второго рода, а это означает, что их твердые и жидкие формы могут не сосуществуют при одной и той же температуре.
Вода не является такой системой (у нее есть фазовые переходы первого рода), но Беххёфер описывает работу как постепенно подкрадывающуюся к ответу для воды.
По крайней мере, теоретическая и экспериментальная работа над эффектом Мпембы начала давать физикам доступ к неравновесным системам, которых им иначе не хватало. «Релаксация к равновесию — важный вопрос, для которого, честно говоря, у нас нет хорошей теории», — говорит Раз. Определение того, какие системы могут вести себя странным и нелогичным образом, «дало бы нам гораздо лучшую картину того, как системы расслабляются по направлению к равновесию».
После того, как Мпемба разжег десятилетнюю полемику своими подростковыми допросами, он сам продолжил изучать управление дикой природой, став перед уходом на пенсию главным охотоведом в Министерстве природных ресурсов и туризма Танзании. По словам Кристин Осборн, вдовы Дениса Осборна, Мпемба скончался примерно в 2020 году. Наука продолжает основываться на его настойчивых заявлениях об эффекте, который носит его имя.