Горячая вода замерзает быстрее холодной? Что на самом деле известно про эффект Мпембы
Если коротко: иногда да, но не всегда — и учёные до сих пор спорят, почему и в каком смысле. В некоторых опытах вода, которая начинала с высокой температуры, действительно замерзала раньше такой же воды, начавшей с низкой. Но в других, более тщательно контролируемых экспериментах эффекта не нашли вовсе. Единого объяснения нет, а само утверждение «горячая замерзает быстрее» слишком расплывчато, чтобы быть просто «правдой» или «мифом».
Я автор канала «Обо всём» и люблю такие истории: простой вопрос, на который честный ответ звучит как «зависит, и вот от чего». Разберём, откуда взялась эта загадка, какие версии предлагали и что из них реально подтверждено.
Школьник, мороженое и профессор
Эффект носит имя Эрасто Мпембы. По рассказу самого Мпембы, в 1963 году он учился в школе Магамба в Танзании и на уроке кулинарии делал мороженое: смесь молока и сахара нужно было прокипятить, остудить и поставить в морозилку. Места в морозилке было мало и времени тоже, и мальчик отправил в неё свою смесь ещё горячей. К его удивлению, она замёрзла раньше, чем смеси одноклассников, которые остудили как положено.
Когда в школу приехал физик Денис Осборн, школьник спросил его прямо: почему вода при 100 °C замерзает быстрее, чем при 35 °C? Осборн попросил технического сотрудника в университете проверить, и тот сообщил, что горячая вода и правда замёрзла первой. Результаты они опубликовали вдвоём: статья «Cool?» в журнале Physics Education, 1969 год, которая стала отправной точкой современных споров.
Впрочем, «открытием» это назвать нельзя. Как напоминает обзор физика Монви Дженга в American Journal of Physics, о подобных наблюдениях писали Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Декарт, а в народе это знали как бытовую примету. Школьник не придумал явление, он вернул его в науку, задав вопрос в нужное время нужному человеку.
Почему это выглядит нарушением физики — и почему им не является
На первый взгляд всё очевидно: чтобы остыть до 0 °C, горячей воде нужно сначала пройти через 20 °C, 10 °C и так далее — те самые температуры, с которых стартует холодная. Значит, она должна замёрзнуть позже. Если бы горячая вода «перепрыгивала» этот путь, это бы противоречило законам термодинамики.
Но тут есть оговорка, которая и порождает путаницу. Закон не говорит про одинаковые образцы в идеальном вакууме. Он говорит про систему целиком. В реальной кастрюле или стакане горячая вода ведёт себя иначе: сильнее испаряется, перемешивается потоками, по-другому отдаёт тепло через стенки. Поэтому речь идёт не о нарушении законов, а о том, что «одинаковые условия» на практике получить трудно, а мелочи способны перевесить исходную разницу температур. Как отмечают авторы работы в Scientific Reports, на первый взгляд эффект может показаться нарушением термодинамики, но они показывают, что это не так.
Пять объяснений: что предлагали
За полвека набралось много гипотез. Вот самые известные, и у каждой есть свои «но».
Испарение
Горячая вода испаряется заметно сильнее. Вместе с паром уносится и энергия, и масса: воды в стакане становится меньше, а значит, остывать и замерзать остаётся меньшему количеству. Это самая старая и интуитивная версия. Спорным остаётся главное: насколько большой вклад она даёт в конкретных опытах.
Конвекция
В горячей воде сильнее токи: тёплые слои поднимаются, холодные опускаются. Верх быстрее остывает и отдаёт тепло воздуху. Эту идею нередко связывают с формой сосуда и тем, где стоит термометр, поэтому результат в разных лабораториях отличается.
Растворённые газы
При нагревании из воды выходят растворённые газы, и её свойства слегка меняются. Версия звучит правдоподобно, но прямых убедительных подтверждений, что именно это ускоряет замерзание, мало.
Переохлаждение
Вода не обязана замерзать ровно при 0 °C. Чистая вода может остаться жидкой при температуре ниже нуля, пока не появится «затравка» для кристалла: пылинка, царапина на стенке, пузырёк. Если холодная вода переохлаждается сильнее горячей, она замерзает позже, даже несмотря на то, что остыла до нуля первой. Это единственная версия, для которой есть воспроизводимый опыт, о нём ниже.
Водородные связи
Молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. Предполагали, что нагрев меняет их структуру так, что остывание потом идёт быстрее. Это красивая теоретическая идея, но она остаётся гипотезой, и учёные до сих пор не сошлись, подтверждается ли она.
Что удалось воспроизвести: опыт с переохлаждением
Самый чёткий результат дал физик Джеймс Браунридж. В его работе в American Journal of Physics горячая вода замерзала раньше холодной стабильно, но только при строгих условиях. Все параметры, кроме начальной температуры, должны совпадать, а холодная вода должна переохладиться заметно сильнее горячей. По описанию автора, для воды около 80 °C и выше против воды около 20 °C и ниже холодной нужно было уйти в переохлаждение минимум на 5,5 °C глубже. Тогда начально горячая вода замёрзла первой 28 раз из 28 попыток.
Здесь есть важная деталь, которую легко пропустить. Автор отдельно пишет: если холодная вода не переохлаждается, она замёрзнет раньше горячей, потому что первой дойдёт до 0 °C. То есть в этом опыте эффект возникает не «просто так», а как следствие случайного поведения кристаллизации. В домашних условиях такие вещи не контролируются, поэтому результат может получиться и в ту, и в другую сторону.
Контрудар 2016 года: «эффекта, возможно, нет»
Самый громкий скептический голос прозвучал в 2016 году. Британские исследователи Генри Бёрридж и Пол Линден опубликовали в Scientific Reports работу «Questioning the Mpemba effect». Они разобрали имевшиеся свидетельства, провели свои опыты по охлаждению воды в тщательно контролируемых условиях и пришли к осторожно-грустному выводу: убедительных подтверждений осмысленных наблюдений эффекта Мпембы нет.
Что это значит и чего это не значит. Это не доказательство, что явления никогда не бывает. Это напоминание, что результат сильно зависит от того, что именно измерять: время охлаждения до какой температуры, где стоит датчик, что считать моментом замерзания. Авторы как раз и считают, что при аккуратной постановке опыта убедительной разницы не видно.
Другое дело, что и в эту работу можно задавать вопросы, и в науке такие споры нормальны. Хорошая статья о Мпембе должна уметь держать в голове обе стороны сразу.
Неожиданный поворот: эффект в других системах
Пока спорили про воду, физики заметили более общую идею. В 2017 году Чжиюэ Лу и Одед Раз в PNAS предложили теоретический механизм, по которому «горячая» система при определённых условиях может приходить к равновесию быстрее «тёплой», причём не только при остывании: они предсказали и обратный вариант, когда при нагревании быстрее оказывается более холодная система.
В 2020 году Авинаш Кумар и Джон Бехгофер показали это в эксперименте. В журнале Nature они продемонстрировали эффект Мпембы в контролируемом опыте на коллоидной системе: крошечная частица в воде, которая служила «тепловой ванной». Результаты воспроизводились и количественно совпали с расчётами. Авторы подчёркивают, что единого консенсуса о причинах эффекта для воды нет, а сам эффект, по их мнению, — «прототип» широкого класса необычных процессов релаксации.
Для читателя важно разделить две вещи. Эффект Мпембы как общее физическое явление в специально подобранных системах, по-видимому, существует. А вот то, что именно вода в вашем стакане будет замерзать быстрее, если налить её горячей, остаётся спорным.
Почему так трудно поставить точку
Кажется, что проверить гипотезу проще простого: две кружки, морозилка, секундомер. На деле почти каждое слово в формулировке «замерзает быстрее» приходится уточнять, и от уточнений зависит ответ.
Во-первых, что считать моментом замерзания. Первые кристаллы на поверхности, полностью твёрдый кусок или момент, когда датчик в центре показал 0 °C? Во-вторых, где стоит датчик: у стенки, в центре, у поверхности температура разная. В-третьих, что значит «одинаковые условия»: форма и материал посуды, объём, положение в морозилке, толщина инея на полке, на которой стоит стакан. Горячий стакан может подтапливать иней под собой и менять контакт с поверхностью, а от этого зависит скорость теплоотдачи. Наконец, переохлаждение случайно: две одинаковые порции воды могут начать замерзать при разной температуре.
Поэтому разные лаборатории получали разные результаты, и это не обязательно чьи-то ошибки. Часто они измеряли разные вещи. Именно это, как мне кажется, и делает историю Мпембы хорошим уроком о том, как работает наука: красивое наблюдение превращается в достоверное знание только тогда, когда договорились, что именно мы измеряем.
Что доказано, а что спорно
Если разложить всё по полочкам, получится примерно так.
Хорошо подтверждено. Эффект не нарушает законы термодинамики. Переохлаждение способно изменить порядок замерзания, и в строгом опыте горячая вода так опережала холодную. Мпемба и Осборн действительно описали такое наблюдение в 1969 году. В специально подобранной коллоидной системе аналогичный эффект воспроизведён.
Спорно. Воспроизводится ли эффект для обычной воды без специальных условий. В тщательно контролируемых опытах Бёрриджа и Линдена его не нашли. Какая из пяти версий важнее и важна ли вообще какая-то одна. Что считать «замерзанием»: достижение 0 °C, появление первого льда или полное замерзание.
Не стоит делать вывод. Что «горячая вода всегда замерзает быстрее», как любят писать в соцсетях. Это неверно: ни одна из обсуждаемых работ этого не утверждает.
Что с этим делать в быту
Осторожный вывод такой: полагаться на эффект Мпембы не стоит. Если вам нужен лёд быстрее, надёжнее налить холодную воду, а не рассчитывать на то, что горячая «обгонит» её. Да, иногда может получиться наоборот, но это зависит от переохлаждения, формы посуды и других случайностей, которыми не управляют на кухне.
Отдельный вопрос — можно ли вообще ставить горячее в холодильник. Это уже не про эффект Мпембы, а про работу самой техники и безопасность продуктов, и у нас есть отдельный разбор: почему нельзя ставить горячее в холодильник.
Коротко
- Эффект Мпембы — наблюдение, что начально горячая вода иногда замерзает раньше начально холодной. История началась со школьника из Танзании в 1963 году, но упоминания известны со времён Аристотеля.
- Законы физики он не нарушает. Самое надёжное объяснение для конкретных опытов с водой — переохлаждение.
- В 2016 году контролируемые опыты не нашли эффекта у воды, а в 2020 году его воспроизвели на коллоидной системе. Дискуссия идёт.
- Не принимайте ни одну из пяти версий за окончательную истину. Для кухни вывод простой: не надейтесь на то, что горячая вода обгонит холодную.
Пока нет комментариев