Горячая вода замерзает быстрее холодной? Загадка, которую так и не решили

Танзанийский школьник поставил вопрос, на который физики спорят уже больше шестидесяти лет.

Представьте кухню африканской школы, где мальчишки готовят мороженое на уроке домоводства. Горячую молочную смесь полагается сначала остудить — иначе не хватит места в холодильнике. Один школьник торопится и суёт смесь в морозилку прямо кипящей. Через час его мороженое готово, а у товарищей, честно ждавших остывания, — ещё жидкое.

Школьника звали Эрасто Мпемба, дело было в тысяча девятьсот шестьдесят третьем, в Танганьике, будущей Танзании. На уроке физики он спросил учителя: почему горячее замерзает быстрее холодного? Учитель поднял его на смех при всём классе — мол, такого не бывает. Мпемба не отступил и через год, когда в школу с лекцией приехал физик из университета Дар-эс-Салама Деннис Осборн, задал тот же вопрос ему.

Осборн тоже сперва не поверил, но обещание проверить сдержал: вернулся в лабораторию, поставил опыт — и обнаружил, что эффект действительно есть, при определённых условиях. В тысяча девятьсот шестьдесят девятом они с Мпембой опубликовали совместную статью с ироничным названием «Прохладно?». С тех пор явление называют эффектом Мпембы — редкий случай, когда оно носит имя не профессора, а школьника, отказавшегося поверить учителю.

Может быть, горячая вода «торопится» замёрзнуть, потому что молекулы в ней двигаются быстрее и по инерции проскакивают дальше? Красиво — только физика так не работает: скорость молекул падает вместе с температурой, инерции к холоду не остаётся.

Самое неожиданное — что Мпемба вовсе не первым это подметил. Ещё Аристотель в трактате о метеорологии писал, что вода, которую перед этим нагрели, замерзает быстрее. Похожие наблюдения оставили Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт, каждый на свой лад пытаясь объяснить парадокс через теории, которые наука впоследствии отбросила. Получается, загадку решали три тысячелетия, и Мпемба лишь заставил современных физиков наконец взяться за неё всерьёз — потому что до него никто не проверял её в лаборатории.

За минувшие десятилетия предложили четыре главных объяснения. Первое: горячая вода быстрее испаряется, и жидкости в сосуде остаётся меньше — меньший объём остывает быстрее. Второе: в холодной воде больше растворённого воздуха, а эти пузырьки якобы мешают образованию льда. Третье: горячая вода создаёт более сильные потоки конвекции, из-за которых тепло уходит активнее. Четвёртое, самое популярное среди физиков: холодная вода чаще переохлаждается — опускается ниже нуля, не замерзая, — и потому начинает превращаться в лёд позже горячей.

Короткая пауза здесь уместна: ни одно из объяснений не работает во всех случаях сразу. Каждое подтверждается в одних опытах и проваливается в других.

А в две тысячи шестнадцатом два британских исследователя, Джеймс Барридж и Пол Линден из Кембриджа, опубликовали статью с прямым названием: «Ставя эффект Мпембы под сомнение: горячая вода не остывает быстрее холодной». Они собрали десятки предыдущих экспериментов и показали: результат сильно зависит от того, где именно в сосуде находится термометр и какой формы сам сосуд. Когда они убрали из опыта фактор переохлаждения — эффект попросту исчез. Их вывод был жёстким: то, что называют эффектом Мпембы, — не физический закон, а артефакт неаккуратной методики измерения.

Другие учёные не согласились и спорят до сих пор: часть экспериментов тяжело воспроизвести, часть воспроизводится стабильно. В две тысячи двенадцатом Королевское химическое общество Великобритании устроило конкурс — предложило любому желающему объяснить эффект Мпембы за тысячу фунтов. Пришло свыше двадцати двух тысяч заявок со всего мира — тема явно задевает не только физиков. Победил Никола Брегович, химик из Загреба, — но и его объяснение никого не убедило до конца.

Здесь честно признаем: до сих пор нет единого мнения, существует ли эффект Мпембы вообще как надёжное явление в обычной воде, или же это статистический шум, который иногда случайно выглядит как закономерность. Зато в последние годы физики нашли нечто похожее совсем в других системах — там, где условия куда чище, чем в кастрюле с водой. В коллоидных растворах, где частицы ведут себя предсказуемо, эффект воспроизводится устойчиво. А в двадцатые годы физики Института имени Вейцмана пошли ещё дальше и показали обратный эффект Мпембы на одном-единственном захваченном ионе — квантовой системе, которая нагревается быстрее именно потому, что была холоднее. Там причина совсем не в спорах о термометрах, а квантовая когерентность — тонкий эффект интерференции, которого попросту нет в кастрюле на кухне.

Так, может быть, права каждая сторона спора понемногу: в грязной, неконтролируемой воде из холодильника эффект Мпембы — действительно капризный статистический призрак, а в чистых лабораторных системах, от коллоидов до квантовых ионов, за тем же именем скрывается вполне реальная физика. Школьник из Танганьики задал вопрос, на который наука отвечает больше шестидесяти лет подряд — и, похоже, ответ будет разным в зависимости от того, что именно замерзает.

А про что рассказать вам? Хоть про свой двор, хоть про Атлантиду — мой-гид точка онлайн.