Dlaczego woda gorąca zamarza szybciej, niż woda zimna, czyli o efekcie Mpemby.

 

 

Fakt szybszego zamarzania wody ciepłej w porównaniu z zimną znany jest od wieków. Już 300 lat p.n.e. pisał o tym Arystoteles. Podpowiadał także, że aby szybko ostudzić gorącą wodę, należy poddać ją działaniu pełnego słońca! W 1461 r. włoski uczony Giovanni Marliani miał potwierdzić spostrzeżenie Arystotelesa, że faktycznie woda gorąca szybciej zamarza, niż woda zimna, choć nie potrafił wyjaśnić zjawiska. Również w 1620 r. Francis Bacon  potwierdzał fakt szybszego zamarzania wody ciepłej w porównaniu z zimną („Novum Organum”). Także Kartezjusz napisał w 1637 r. znamienne słowa: „Doświadczenie pokazuje, że woda trzymana przez długi czas na ogniu zamarza szybciej, niż inne wody.” (praca „Les Meteores” opublikowana w „Discours de la Methode”).

Zjawisko było więc rejestrowane przez setki i nawet tysiące lat, ale nikt nie umiał wytłumaczyć, dlaczego tak się dzieje. Nauka nie potrafi tego i dzisiaj – o ile mi wiadomo. Są jedynie próby stworzenia spójnej koncepcji. Do dziwnego zjawiska powróciło w 1969 r. pismo „New Scientist” opisując spostrzeżenie pewnego ucznia z Tanzanii i w tym kontekście zastanawiając się nad faktem, jak łatwo potrafimy wydawać sądy i jak łatwo dajemy schwytać się w pułapkę własnych utartych schematów myślowych.

Otóż w 1963 r. uczeń jednego  z tanzańskich gimnazjów w miejscowości Magamba, Erasto Mpemba, zwrócił się z prośbą do swojego nauczyciela fizyki prośbą o wyjaśnienie niezrozumiałego dla niego zjawiska: dlaczego gorące mleko, które służyło Mpembie i jego kolegom do wyrobu lodów, zamarza szybciej, niż mleko zimne? 

Mpemba miał przygotowane porcje gorących lodów, ostudzał je do temperatury pokojowej i dopiero później wstawiał do zamrażalnika lodówki. Zdarzyło się jednak tak, że Mpemba musiał zaryzykować uszkodzenie lodówki i wstawić bardzo gorącą mieszaninę do lodówki. W rezultacie okazało się, że jego „gorące” lody zamarzły szybciej, niż wcześniej ostudzone lody kolegów.

Nauczyciel  wykpił ucznia niemiłosiernie. Ten próbował uzyskać satysfakcjonującą go odpowiedź podczas nauki w liceum w Mkawie. Tam również wyjaśniono mu, że opowiada bzdury. Nauczyciel fizyki nazwał nawet ten przypadek „fizyką Mpemby”. Trzeba było dopiero spotkania z prof. Denisem Osborne’m z Uniwersytetu z Dar es Salaam, który odwiedził liceum, w którym uczył się Mpemba. Podczas pogadanki dotyczącej zagadnień fizycznych uparty uczeń nie zważając na docinki kolegów poprosił Osborne’a o wyjaśnienie nurtującego go problemu. Prof. Osborne odniósł się sceptycznie do pytania, tym niemniej kazał później swoim uniwersyteckim laborantom przeprowadzić odpowiednie doświadczenia. Efekt eksperymentu potwierdził spostrzeżenie Mpemby. Było to zupełnie „nieracjonalne” i kłócące się z tzw. zdrowym rozsądkiem, dlatego też laborant odpowiedzialny za przeprowadzenie doświadczenia miał powiedzieć Osborne’owi, że: „Będziemy powtarzać doświadczenie tak długo, aż otrzymamy prawidłowy rezultat.” :))

W 1969 r. Prof. Osborne i Erasto Mpemba napisali wspólnie pracę o swoich obserwacjach opublikowaną pierwotnie w periodyku „Physics Education”. Późnej sprawa trafiła do „New Scientist” i w ten sposób tanzański uczeń stał się sławny, a zjawisko, na które zwrócił uwagę po wiekach od pierwszych zapisanych przez Arystotelesa obserwacji, nazwano „efektem Mpemby”.

Jak wspominałem, do dziś zjawisko nie jest wyjaśnione w zadowalający sposób i jest przyczyną bólów głowy fizyków :). Próbuje się wyjaśnić dziwne zachowanie się wody sięgając do zjawiska parowania, konwekcji, istnienia gazów rozpuszczonych w wodzie, zjawiska superprzechłodzenia wody, ale wszystko to nie zadowala naukowców.

Woda nadal skrzętnie ukrywa wiele ze swoich tajemnic…