Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная: Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды) / Хабр

Какая вода замерзает быстрее: горячая или холодная?

Поворотным моментом в истории изучения замерзания воды стал эксперимент с мороженым.

С чего все началось?

В 1963 году старшеклассник Эрасто Мпемба из Танзании случайно обнаружил эффект, позднее названный в его честь. Рассказываем, как он к этому пришел. Школьники учились готовить мороженое (нам бы такие уроки!). Эрасто переживал, что ему не хватит места в морозильнике, поэтому поставил свою заготовку еще горячей. Одноклассники же наоборот дали смесям остыть и только после этого отправили их в морозилку. В итоге мороженое из теплого молока получилось быстрее, чем из охлажденного. Эрасто поспешил за объяснением к учителю физики, но тот только посмеялся над ним, сказав: “Это не всемирная физика, а физика Мпембы”.

Кто провел первые лабораторные эксперименты?

Мпемба не бросил попыток выяснить, в чем дело, и позднее обратился за помощью к физику Денису Осборну. Вместе они провели первые систематические научные исследования феномена – эффекта Мпембы. Им удалось воспроизвести результат, хотя опытный Осборн отметил, что для полного понимания происходящего нужно провести более сложные эксперименты. За прошедшие десятилетия многие ученые и лаборатории пытались раскрыть загадку эффекта Мпембы, но получали неоднозначные результаты.

Казалось бы, эффект легко проверить. Берем чашки с горячей и холодной водой, ставим их в морозилку и засекаем время. Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэйкон замечали, что горячая вода замерзает быстрее. Даже современные водопроводчики утверждают, что зимой трубы с горячей водой лопаются чаще, чем трубы с холодной.

Результаты эксперимента с замораживанием двух образцов в разное время. Обнаружена разница в скорости замерзания.

Удалось ли другим ученым повторить эксперименты и получить “эффект Мпембы”?

Шло время, появлялись новые гипотезы, и ученые проверяли их в максимально контролируемых условиях. Некоторые из них обнаружили эффект, другие – нет. Почему? Дело в том, что замерзание воды – достаточно непредсказуемый процесс. Особенно когда речь идет о долях секунд и температур.

Начнем с базовой физики. Неважно, какая у воды стартовая температура. Чтобы превратиться в лед, вода сперва должна охладиться до нуля градусов. В процессе замерзания температура воды будет оставаться неизменной. Почему же тогда горячая вода в некоторых экспериментах замерзала быстрее холодной?

Эффект Мпебы зимой (эксперимент с замерзанием горячей воды на морозе)

Как пробовали объяснить “эффект Мпембы”?

Существует несколько гипотез.

Горячая вода быстрее испаряется, а значит в процессе охлаждения ее объем может сократиться – поэтому она быстрее замерзнет.

С другой стороны лед в морозильнике может играть роль изолятора. Холодной чашке он будет мешать быстро охладиться, а вокруг горячей растает: чашка коснется охлаждающих элементов морозильника и быстрее остынет.

Также роль могут сыграть газы. В холодной воде больше растворенных газов, чем в горячей, и это может сыграть роль при охлаждении.

А вот твердые примеси могут повлиять на само замерзание. Помните популярные видео с бутылкой жидкой воды, которая при ударе начинает затвердевать на глазах? Эту воду аккуратно охладили ниже температуры замерзания, и в ней не образовались центры кристаллизации. Возможно, в спокойных условиях холодной воде требуется сильнее сверхохладиться, чтобы запустилась кристаллизация?

Наконец, существует гипотеза о влиянии конвекции. Теоретически, горячая вода может быстрее охлаждаться, потому что в ней сильнее потоки теплообмена.

Это разумные предположения, но их можно исключить: использовать герметичные контейнеры, очистить морозильник ото льда, проверить содержание примесей и так далее. И даже с учетом этих факторов эффект Мпемба то подтверждается, то нет. Как же так? Дело в том, что слишком много факторов играют роль.

При исследовании эффекта Мпембы важно учитывать способ хранения воды, наличие примесей, положение термометра при замере.

Что произойдет, если провести максимально контролируемый эксперимент?

В 2016 году специалисты по динамике жидкостей инженер Генри Барридж, профессор Имперского колледжа Лондона, и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели максимально контролируемое исследование эффекта Мпембы.

Они не нашли никаких свидетельств его существования, но не это главное. Самое существенное их открытие заключалось в том, что если буквально на сантиметр сместить положение термометра в емкости, не меняя никаких других условий, то небольшой эффект Мпембы появляется. Последующая проверка предыдущих исследований показала, что и там наблюдаемый эффект был в пределах погрешности.

Ученые продолжают экспериментировать?

Да, исследования продолжаются. Ученые ищут и изучают эффект Мпембы в различных веществах и условиях.

Подведем итог. Чисто физически у воды нет эффекта Мпембы, но в реальной жизни из-за твердых и газообразных примесей, материала, из которого сделаны емкости, особенностей морозильной камеры и многих других факторов горячая вода действительно может замерзать быстрее холодной.

Как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, – пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпемба – парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

“Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект”, – говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени. Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды.

При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», – говорит Беххофер. Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, – говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования – часть его красоты, – заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».

[Фото: sciencenews.org]

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, или что холодная вода закипает быстрее, чем горячая?

Share на Facebook
Поделитесь в Twitter
Share на Reddit
Share на LinkedIn
Поделитесь по электронной почте
. морозный воздух. Предоставлено: Исмаил Каплан Getty Images
Этот, казалось бы, простой вопрос продолжает вызывать значительные споры. Такамаса Такахаши, физик из колледжа Св. Норберта в Де Пере, штат Висконсин, пытается дать окончательный ответ:
“Холодная вода не закипает быстрее, чем горячая. Скорость нагрева жидкости зависит от величины разности температур между жидкостью и окружающей ее средой (например, пламенем на плите). В результате холодная вода будет поглощать тепло быстрее, пока она еще холодная; как только она достигает температуры горячей воды, скорость нагревания замедляется, и отсюда доведение ее до кипения занимает столько же времени, сколько и горячей воды до кипения. Начнем с того, что холодной воде требуется некоторое время, чтобы достичь температуры горячей воды, поэтому очевидно, что холодная вода кипит дольше, чем горячая вода. Здесь может иметь место некоторый психологический эффект: холодная вода начинает кипеть раньше, чем можно было бы ожидать, из-за вышеупомянутая большая скорость поглощения тепла, когда вода холоднее.0005
«На первую часть вопроса — «Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?» — ответ: «Обычно нет, но возможно при определенных условиях». Для испарения одного грамма воды требуется 540 калорий, тогда как для нагрева одного грамма жидкой воды от 0 градусов Цельсия до 100 градусов С требуется 100 калорий.

Когда вода горячее 80 градусов С, скорость охлаждения за счет быстрого испарения очень высокая, потому что каждый испаряющийся грамм забирает из оставшейся воды не менее 540 калорий.Это очень большое количество тепла по сравнению с одной калорией на градус Цельсия, получаемой из каждого грамма воды, которая охлаждается за счет обычной теплопроводности.
“Все зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение, и получается, что горячая вода не замерзнет раньше холодной, а замерзнет раньше теплой. Вода при 100 градусах, например, замерзнет раньше, чем вода теплее 60 градусов C, но не раньше, чем температура воды ниже 60° C. Это явление особенно очевидно, когда площадь поверхности, которая охлаждается за счет быстрого испарения, велика по сравнению с количеством задействованной воды, например, когда вы моете машину горячей водой в холодный зимний день. [Для справки см. Концептуальную физику Пола Г. Хьюитта (HarperCollins, 19).93).]

“Еще одна ситуация, при которой горячая вода может замерзнуть быстрее, это когда в морозильную камеру помещают кастрюлю с холодной водой и кастрюлю с горячей водой одинаковой массы. Возникает упомянутый выше эффект испарения, а также тепловой контакт с морозильной полкой будет охлаждать нижнюю часть водоема.Если вода достаточно холодная, около четырех градусов С (температура, при которой вода имеет наибольшую плотность), то почти замерзшая вода на дне поднимется до конвекционные потоки будут продолжаться до тех пор, пока температура всей массы воды не достигнет 0 градусов по Цельсию, после чего вся вода окончательно замерзнет. Если вода изначально горячая, охлажденная вода внизу имеет большую плотность, чем горячая вода вверху, поэтому конвекции не будет и нижняя часть начнет замерзать, а верхняя еще теплая.Этот эффект, в сочетании с эффектом испарения, в некоторых случаях может привести к тому, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная.В этом случае, конечно, морозильная камера работали усерднее в течение заданного периода времени, извлекая больше тепла из горячей воды».

Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, добавляет к некоторым выводам, сделанным Такахаши:
«Есть два способа, которыми горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Книга Джерла Уокера «Летающий цирк физики» (Wiley, 1975)] основывается на том факте, что горячая вода испаряется быстрее, поэтому, если вы начнете с равных масс горячей и холодной воды, скоро будет меньше горячей воды для замерзания, и, следовательно, она догонит холодную воду и замерзнет первой, потому что чем меньше масса, тем короче время замерзания. горячая вода растапливает лед под дном посуды, что приводит к лучшему тепловому контакту при повторном замерзании».
�
Все еще сомневаетесь? Фред В. Декер, метеоролог из Орегонского государственного университета в Корваллисе, предлагает читателям самим решить этот вопрос:
«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, изначально горячая, или вода, изначально холодной. Используйте данную настройку на электрической плите и замерьте время между запуском и кипячением для данной кастрюли, содержащей, скажем, один литр воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самая горячая вода из этого крана. Готов поспорить, что кварта воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем кварта воды, изначально холодной.0005
“Эксперимент с замораживанием выполнить сложнее, потому что в идеале для него требуется проходная холодильная камера с температурой ниже точки замерзания. Возьмите в камеру две бутылки молока объемом в кварту, наполненные водой, одну из горячего крана. а другой – из холодного крана снаружи камеры. Рассчитывайте их до замерзания, и я снова готов поспорить, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая вода».
[Мы хотели бы добавить, что, если вы не хотите страдать в морозильной камере, вы можете провести достаточно хорошую версию вышеописанного эксперимента в морозильной камере вашего холодильника; только не проверяйте воду слишком часто — в этом случае она никогда не замерзнет — или слишком редко, и в этом случае вы можете пропустить момент, когда одна емкость замерзнет, а другая — нет.]
Декер заключает, что «большая часть фольклора возникает из-за попыток ответить на этот вопрос в условиях, которые не делают «все остальные вещи равными», что делают предыдущие эксперименты».
Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?0029 Кванты.
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, обозначающим горячую воду, замерзающую быстрее, чем холодную, 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», — 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 студентов 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 средней 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 являются четко определенными, 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 журнале 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 эффект. 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 соответствует 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 Университета Гранады 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 полностью убеждены в том, 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 или как какое-либо 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, которого им иначе не хватало.