На первый взгляд, утверждение, что горячая вода может замерзнуть быстрее холодной, звучит против здравого смысла. Ведь логично предположить, что более горячая жидкость должна сначала охладиться до температуры холодной, а затем проходить тот же путь до замерзания. Однако многократные эксперименты, в том числе научно задокументированные, показали: иногда горячая вода действительно замерзает быстрее. Это явление носит название эффект Мпембы, и оно до сих пор вызывает споры среди ученых.

Открытие эффекта: история из Танзании

Этот феномен получил своё название благодаря школьнику из Танзании по имени Эрнасто Мпемба. В 1963 году он заметил, что горячее молоко для мороженого, поставленное в морозильник, замерзает быстрее, чем холодное. Его наблюдение сперва вызвало насмешки со стороны учителей, но позже один из преподавателей физики заинтересовался феноменом и решил проверить его на практике. Оказалось, что юноша был прав. Это противоинтуитивное поведение воды получило научное признание и стало предметом активного изучения.

Попытки объяснения: почему это может происходить?

На протяжении десятилетий ученые выдвигали различные гипотезы, чтобы объяснить эффект Мпембы. Несмотря на то что не существует единого объяснения, согласованного всем научным сообществом, есть несколько возможных факторов, которые могут в совокупности или по отдельности приводить к тому, что горячая вода замерзает быстрее.

1. Испарение. При нагревании вода активно испаряется. Если в горячем сосуде воды становится меньше за счёт испарения, уменьшается её масса. Следовательно, меньший объём воды требует меньше энергии для охлаждения и замерзания. Это может объяснить, почему горячая вода в некоторых условиях замерзает быстрее.

2. Движение воды и конвекция. В горячей воде наблюдается более активная конвекция — движение жидкости, связанное с разницей температур. Такое перемешивание может способствовать более равномерному и быстрому охлаждению по сравнению с холодной водой, в которой такие процессы менее выражены.

3. Растворённые газы. При нагревании из воды выделяются растворённые газы, такие как кислород и углекислый газ. Это может повлиять на структуру воды и на процессы образования кристаллов льда. Некоторые исследования предполагают, что «обезгазированная» вода замерзает при более высокой температуре, ускоряя процесс.

4. Переохлаждение. Холодная вода чаще склонна к переохлаждению — состоянию, при котором температура воды опускается ниже 0°C, но вода не кристаллизуется. Это задерживает начало процесса замерзания. Горячая вода, охлаждаясь, может избежать переохлаждения и быстрее образовать лёд.

5. Влияние окружающей среды. Температура и влажность воздуха, теплопроводность посуды, наличие крышки или вентиляции в морозильной камере — всё это может влиять на поведение воды при замораживании. Горячая вода, испаряясь, может изменить микроклимат вокруг себя, ускоряя охлаждение.

Современные исследования: эффект, который всё ещё изучается

Несмотря на то что эффект Мпембы признан, повторение экспериментов часто даёт разные результаты. Всё зависит от начальных условий: объема воды, формы и материала сосуда, температуры воздуха, влажности и даже химического состава воды. Некоторые учёные считают, что эффект наблюдается только при строго определённых условиях и не является универсальным.

В 2016 году Королевское химическое общество Великобритании даже объявило конкурс на лучшее объяснение эффекта Мпембы, чтобы привлечь внимание к проблеме. Победившая работа утверждала, что ключевым фактором может быть внутренняя структура водородных связей в молекулах H₂O, которая изменяется при нагревании, влияя на замораживание.

Тем не менее, научный консенсус заключается в том, что эффект Мпембы — это не один процесс, а совокупность факторов, которые в определённых условиях могут взаимодействовать и приводить к неожиданному результату.

Практическое значение и философские выводы

На первый взгляд, эффект Мпембы может показаться лишь курьёзом, но он имеет и прикладное значение. Понимание тонких механизмов замерзания важно для пищевой промышленности, климатологии, криобиологии и других областей. Кроме того, сам факт существования такого парадокса учит нас научной скромности: даже в, казалось бы, хорошо изученных областях — как поведение воды — природа может преподносить сюрпризы.

Эффект Мпембы напоминает, что наука — это не только знание, но и постоянное сомнение, проверка и открытие. Иногда ответы приходят не из лабораторий, а от любознательных детей, как это случилось с Эрнасто Мпембой. И именно такие наблюдения могут стать началом больших открытий.