Эффект Мпембы: почему горячая вода иногда замерзает быстрее

Поставь в морозилку два стакана: в одном тёплая вода, в другом почти кипяток. По всем законам здравого смысла тёплая должна замёрзнуть первой — ей ведь до нуля ближе. А иногда побеждает кипяток. Этот парадокс называют эффектом Мпембы, и спорят о нём до сих пор.

Школьник, который не побоялся показаться глупым

В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба на уроке кулинарии готовил мороженое. Чтобы успеть занять место в холодильнике, он поставил туда горячую молочную смесь, не дожидаясь, пока она остынет. И вдруг заметил: его горячая смесь застыла раньше, чем холодная у одноклассника.

Когда Эрасто рассказал об этом учителю физики, тот посмеялся: мол, ты что-то перепутал, такого быть не может. Но мальчик не отступил. Позже он встретил профессора Денниса Осборна, повторил с ним опыт — и в 1969 году они вместе опубликовали научную статью. Так за странностью закрепилось имя школьника, а не маститого учёного.

Иногда самое важное в науке — не побояться сказать «а у меня получилось наоборот» там, где все уверены в обратном.

Интересно, что намёки на этот эффект встречались задолго до Мпембы — о нём писали Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт. Просто на пару тысяч лет о наблюдении благополучно забыли.

Так это вообще правда?

Честный ответ: иногда. Эффект Мпембы — не железный закон вроде «вода кипит при 100 градусах». Это капризное явление, которое в одних условиях проявляется, а в других нет. Учёные ставили десятки экспериментов и получали разные результаты — поэтому до сих пор нет единого, всеми принятого объяснения.

И это нормально для науки! Парадокс в том, что замерзание воды — процесс, который мы вроде бы видим каждую зиму, — на деле устроен куда хитрее, чем кажется. Когда вода превращается в лёд, одновременно работают сразу несколько механизмов, и горячая вода успевает «обогнать» холодную не вопреки физике, а благодаря целому набору причин.

Что помогает кипятку вырваться вперёд

Физики предлагают несколько объяснений. Скорее всего, в разных опытах работают разные из них — или сразу все вместе:

Испарение. Горячая вода активно испаряется, и часть её просто улетает паром. Воды становится меньше — а меньшую порцию заморозить быстрее. Это как с супом: полная кастрюля стынет дольше, чем половник.
Конвекция. В горячей воде идут активные потоки: тёплое поднимается, холодное опускается. Из-за этого вода отдаёт тепло наружу эффективнее, чем спокойная холодная, где слои почти не перемешиваются.
Растворённые газы. В горячей воде меньше растворённого воздуха — при нагреве он выходит пузырьками. А вода, «очищенная» от газов, может остывать и кристаллизоваться немного иначе.
Переохлаждение. Холодная вода иногда «застревает» в жидком состоянии ниже нуля и не спешит замерзать. Горячая такому фокусу подвержена меньше — и в итоге первой превращается в лёд.

Сложи эти факторы вместе — и кипяток в определённых условиях действительно успевает к финишу раньше.

Гонка двух бегунов: яркая аналогия

Представь забег. Холодная вода стартует ближе к финишу — ей до нуля рукой подать. Горячая стартует далеко позади. Кажется, исход очевиден.

Но у горячей воды есть преимущества: она бежит налегке (часть массы испарилась), у неё мощное «второе дыхание» (конвекция перемешивает и охлаждает её быстрее), а холодная по дороге то и дело спотыкается и замирает (переохлаждение). И вот бегун, что стартовал последним, на отдельных дистанциях вырывается вперёд. Не всегда — но достаточно часто, чтобы об этом до сих пор спорили.

Проверь сам — и не верь на слово

Самое классное: ты можешь устроить эту гонку дома. Возьми два одинаковых стакана, в один налей тёплую воду из-под крана, в другой — горячую (попроси взрослых, чтобы не обжечься). Поставь оба в морозилку рядом и засекай, кто замёрзнет первым.

Не удивляйся, если результат окажется не таким, как у соседа по парте: эффект очень чувствителен к мелочам — форме стакана, материалу, точной температуре, месту в морозилке. Именно поэтому он так долго остаётся загадкой.

И в этом главный урок эффекта Мпембы. Даже в самой обычной воде из-под крана может прятаться тайна, на которую у науки пока нет окончательного ответа. А разгадать её способен любой — даже школьник, который однажды не побоялся возразить учителю.