#104 · The Mpemba Effect · Short Articles

Under the right conditions, hot water can freeze faster than cold. It sounds like a party trick, but the observation dates back to antiquity, and physicists still argue not only over why it happens, but whether it happens at all.

In 1963, a Form 3 student in Tanganyika named Erasto Mpemba was making ice cream. In a rush, he put his hot mixture into the freezer without letting it cool first. To his surprise, it froze before the batches prepared by his classmates. He asked his physics teacher why. The teacher told him he must have been confused. Mpemba persisted, and when a visiting physicist, Dr Denis Osborne, came to his school, he asked the question again: "If you take two similar containers with equal volumes of water, one at 35°C and the other at 100°C, and put them into a freezer, the one that started at 100°C freezes first. Why?"

Osborne was sceptical, but intrigued enough to have a technician in his lab at the University College in Dar es Salaam run the experiment. The technician confirmed it. Osborne and Mpemba published their findings together in *Physics Education* in 1969, giving a name to a puzzle that had been hiding in plain sight for two thousand years.

The observation was not new. The Greek philosopher Aristotle noted in his *Meteorology* that to cool water quickly, people would first put it in the sun. Francis Bacon and René Descartes both documented the phenomenon, with Descartes suggesting it was because heating drove off the 'least bendable' particles of water. But with a formal paper, the modern scientific argument had begun.

The mechanism lottery

There is no single, accepted explanation for the Mpemba effect. Instead, there is a list of competing candidates, and the correct answer seems to depend entirely on the specific setup of the experiment. The most straightforward explanation is evaporation: the hotter sample loses more mass, leaving less water to freeze. This is certainly a factor, but rarely enough to account for the dramatic differences sometimes observed.

Other theories look inside the water itself. Hot water holds less dissolved gas than cold water, which could alter its thermal properties. Another popular candidate is supercooling, the process where water can remain liquid below its freezing point. If the initially colder water supercools to a much lower temperature than the hot water, the hot water might begin the actual process of crystallising first. Convection also plays a part; stronger temperature gradients in the hot water create more vigorous currents, potentially increasing the rate of heat loss from the container.

More recent explanations have focused on the molecular level, suggesting the network of hydrogen bonds in water is the key. One theory proposes that heating water breaks apart weak bonds, allowing clusters of molecules to form structures that are, counter-intuitively, a better starting point for the crystal lattice of ice.

What we still don't know

For all the theories, the biggest question is whether the effect is even real in a reliable sense. A 2016 review by Henry Burridge and Paul Linden for *Scientific Reports* critically examined the literature and conducted their own experiments, concluding that "there is no evidence to support meaningful observations of the Mpemba effect." They found that the phenomenon was not robustly reproducible and could often be explained by experimental artefacts, like the precise placement of thermometers.

Part of the problem is defining what "freezing" means. Is it the moment the first ice appears on the surface, or the moment the entire volume becomes a solid block of ice? Different studies use different definitions, making them difficult to compare. The effect is famously sensitive to the shape of the container, the method of refrigeration, and the purity of the water.

The one thing that seems certain is that there is no universal law stating hot water always freezes faster than cold. And yet, the idea has found new life. Physicists are now exploring 'Mpemba-like effects' in other systems, from granular materials to quantum systems, where a system further from equilibrium can sometimes cool down faster.

A simple question about a schoolboy's ice cream has tied physics in knots for half a century. It is a potent reminder that in the most familiar substance on Earth, there are depths we have not yet sounded.

在特定条件下，热水可能比冷水结冰得更快。这听起来像是一个派对魔术，但这一现象的观察可以追溯到古代，物理学家们至今仍在争论它为何会发生，甚至是否真的会发生。

1963年，坦噶尼喀一名初三学生Erasto Mpemba正在制作冰淇淋。他急于求成，未等混合物冷却就直接将其放入了冰箱。令他惊讶的是，他的混合物却在他同学制作的批次之前结冰了。他向物理老师询问原因。老师告诉他，他一定是搞错了。Mpemba坚持追问，当一位来访的物理学家丹尼斯·奥斯本博士（Dr Denis Osborne）到访他的学校时，他再次提出了这个问题：“如果你取两个相同的容器，分别装入等量的水，一个35°C，另一个100°C，然后将它们放入冰箱，那么最初温度为100°C的水会率先结冰。为什么？”

奥斯本起初持怀疑态度，但足够好奇，于是请达累斯萨拉姆大学学院的实验室技术员进行了实验。技术员证实了这一现象。1969年，奥斯本和Mpemba在《物理教育》（*Physics Education*）上共同发表了他们的研究成果，为这个已经隐藏了两千年的谜题命名。

这一观察并非新发现。古希腊哲学家Aristotle在他的《气象学》中曾提到，为了快速冷却水，人们会先将其放在阳光下。弗朗西斯·培根和René Descartes也都记录过这一现象，笛卡尔认为这是因为加热会驱散水中最不易弯曲的粒子。但随着一篇正式论文的发表，现代科学对这一现象的讨论才真正开始。

机制的彩票

目前还没有一个被普遍接受的解释来说明Mpemba effect。取而代之的是一个竞争性的候选理论清单，而正确的答案似乎完全取决于实验的具体设置。最直接的解释是蒸发：较热的样本会损失更多质量，从而留下更少的水需要结冰。这确实是一个因素，但通常不足以解释有时观察到的显著差异。

其他理论则着眼于水本身。热水所溶解的气体比冷水少，这可能改变了其热性能。另一个广受欢迎的候选理论是supercooling，即水在低于其冰点的情况下仍能保持液态的过程。如果最初较冷的水比热水冷却到更低的温度，那么热水可能会率先开始真正的结晶过程。对流也起了一定作用；热水中更强的温度梯度会产生更剧烈的流动，从而可能增加容器的散热速率。

近年来的解释则集中在分子层面，认为水中的氢键网络是关键。有一种理论提出，加热会破坏较弱的键，使分子形成更适合冰晶晶格的结构，这种结构出人意料地成为冰晶形成的良好起点。

我们仍然不知道的

尽管有诸多理论，最大的问题是，这种效应是否在可靠的意义上真实存在。2016年，亨利·伯里奇（Henry Burridge）和保罗·林登（Paul Linden）在《科学报告》（*Scientific Reports*）上发表的一篇综述文章，对相关文献进行了批判性分析，并进行了自己的实验，得出结论：“没有证据支持对Mpemba效应的有意义观察。”他们发现这一现象并不具有可重复性，通常可以用实验中的误差来解释，比如温度计的放置位置。

问题的一部分在于“结冰”本身的定义。是水表面第一次出现冰晶的时刻，还是整个体积完全变为固态冰块的时刻？不同的研究使用不同的定义，使得彼此之间难以比较。这一效应对容器的形状、制冷方式和水的纯度都极为敏感。

唯一可以确定的是，并不存在一条普遍法则说明热水总是比冷水结冰更快。然而，这一想法却焕发了新的生命力。物理学家们现在正在探索其他系统中的“Mpemba效应”，从颗粒材料到量子系统，其中远离平衡的系统有时反而能更快地冷却下来。

一个关于学生冰淇淋的简单问题，半个世纪以来让物理学陷入了困境。它提醒我们，在这个地球上最熟悉的物质中，仍有我们尚未探测的深度。

Sob as condições certas, a água quente pode congelar mais rapidamente do que a fria. Parece um truque de festa, mas a observação remonta à antiguidade, e físicos ainda discutem não apenas por que isso ocorre, mas se ocorre de fato.

Em 1963, um aluno da 3ª série em Tanganyika chamado Erasto Mpemba estava fazendo sorvete. Pressionado pelo tempo, ele colocou sua mistura quente na geladeira sem deixá-la esfriar primeiro. Para sua surpresa, ela congelou antes das porções preparadas pelos seus colegas. Ele perguntou ao seu professor de física por quê. O professor disse que ele deveria estar confuso. Mpemba persistiu, e quando um físico visitante, o Dr. Denis Osborne, veio à sua escola, ele fez a pergunta novamente: "Se você pegar dois recipientes semelhantes com volumes iguais de água, um a 35°C e outro a 100°C, e os colocar na geladeira, o que começou a 100°C congela primeiro. Por quê?"

Osborne estava cético, mas intrigado o suficiente para pedir a um técnico em seu laboratório na Universidade de Dar es Salaam que realizasse o experimento. O técnico confirmou. Osborne e Mpemba publicaram juntos suas descobertas em *Physics Education* em 1969, dando um nome a um enigma que estava escondido à vista desarmada há dois mil anos.

A observação não era nova. O filósofo grego Aristotle notou em sua *Meteorologia* que, para resfriar água rapidamente, as pessoas primeiro a colocariam ao sol. Francis Bacon e René Descartes também documentaram o fenômeno, com Descartes sugerindo que isso ocorria porque o aquecimento eliminava as partículas "menos dobráveis" da água. Mas com um artigo formal, o debate científico moderno havia começado.

A loteria dos mecanismos

Não há uma única explicação aceita para o Mpemba effect. Em vez disso, há uma lista de candidatos concorrentes, e a resposta correta parece depender totalmente da configuração específica do experimento. A explicação mais direta é a evaporação: a amostra mais quente perde mais massa, deixando menos água para congelar. Isso é certamente um fator, mas raramente suficiente para explicar as diferenças dramáticas às vezes observadas.

Outras teorias olham para dentro da própria água. A água quente contém menos gás dissolvido do que a água fria, o que poderia alterar suas propriedades térmicas. Outro candidato popular é a supercooling, o processo no qual a água pode permanecer líquida abaixo do seu ponto de congelamento. Se a água inicialmente mais fria superesfriar a uma temperatura muito mais baixa do que a água quente, a água quente poderia começar o processo real de cristalização primeiro. A convecção também desempenha um papel; os gradientes de temperatura mais fortes na água quente criam correntes mais vigorosas, potencialmente aumentando a taxa de perda de calor do recipiente.

Explicações mais recentes concentraram-se no nível molecular, sugerindo que a rede de ligações de hidrogênio na água é a chave. Uma teoria propõe que o aquecimento da água rompe ligações frágeis, permitindo que os grupos de moléculas formem estruturas que, de forma contraintuitiva, sejam um ponto de partida melhor para a rede cristalina do gelo.

O que ainda não sabemos

Apesar de todas as teorias, a maior pergunta é se o efeito é mesmo real em um sentido confiável. Uma revisão de 2016 por Henry Burridge e Paul Linden para *Scientific Reports* examinou criticamente a literatura e realizou seus próprios experimentos, concluindo que "não há evidências para sustentar observações significativas do efeito Mpemba". Eles descobriram que o fenômeno não era robustamente reprodutível e muitas vezes podia ser explicado por artefatos experimentais, como a colocação exata dos termômetros.

Parte do problema é definir o que "congelamento" significa. É o momento em que o primeiro gelo aparece na superfície, ou o momento em que o volume inteiro se torna um bloco sólido de gelo? Estudos diferentes usam definições diferentes, tornando difícil compará-los. O efeito é famoso por ser sensível à forma do recipiente, ao método de refrigeração e à pureza da água.

Uma coisa parece certa: não há uma lei universal afirmando que a água quente sempre congela mais rápido que a água fria. E, no entanto, a ideia encontrou nova vida. Físicos estão agora explorando "efeitos Mpemba-like" em outros sistemas, desde materiais granulares até sistemas quânticos, onde um sistema mais distante do equilíbrio pode, às vezes, esfriar mais rapidamente.

Uma pergunta simples sobre o sorvete de um estudante de escola secundária tem atado a física em nós por meio século. É um lembrete poderoso de que, na substância mais familiar da Terra, há profundezas que ainda não sonhamos.

適切な条件下では、温かい水は冷たい水よりも早く凍ることがある。これはパーティーのトリックのように思えるかもしれないが、この現象に関する記録は古代にまで遡り、物理学者たちがそのメカニズムについて、あるいはそれが本当に起こるのかどうかについて、いまだに議論を続けている。

1963年、タンザニアで3年生にあたる学年に在籍していたErasto Mpembaという生徒がアイスクリームを作っていた。急いでいた彼は、まず冷ますことなく、熱い混合液を冷凍庫に入れてしまった。驚いたことに、それはクラスメートたちが作ったものよりも先に凍ってしまった。彼は物理の先生にその理由を尋ねたが、先生は彼が混乱しているに違いないと言った。 Mpembaは諦めず、学校を訪れた物理学者ドクター・デニス・オズボーンに同じ質問をした。「もし、35°Cと100°Cの水をそれぞれ同じ容積で似たような容器に入れ、冷凍庫に放り込んだら、100°Cから始めたほうのほうが先に凍みます。なぜでしょうか？」

オズボーンは懐疑的だったが、ダルエスサラームの大学学院の研究室で技術者に実験を行わせることにした。その技術者は現象を確認した。オズボーンとMpembaは1969年に『フィジックス・エデュケーション』誌にその結果を発表し、2000年間も人々の目の前で隠れていたこの謎に名前を与えた。

この観察自体は新しいものではなかった。ギリシャの哲学者Aristotleは『気象学』で、水を速く冷やすにはまず太陽にさらすと人々がしていたことを記述していた。フランシス・ベーコンとRené Descartesもこの現象を記録しており、デカルトは加熱によって水の「最も曲がりにくい」粒子が追い払われると説明していた。しかし、正式な論文によって、現代の科学的議論がようやく始まったのだ。

機作のくじ引き

Mpemba effectのための単一で受け入れられた説明は存在しない。代わりに、複数の候補が競い合っており、正しい答えは実験の具体的な設定に完全に依存しているように思える。最も単純な説明は蒸発である。高温のサンプルはより多くの質量を失い、凍る水の量が減る。これは確かに要因の一つだが、観測される劇的な差を説明するにはほとんどたりない。

他の理論は水の中身自体に目を向けている。冷水に比べて、温かい水にはより少ない量の溶解ガスが含まれており、それによって熱伝導特性が変わる可能性がある。また人気のある候補の一つはsupercooling、つまり水が凍点以下の温度でも液体のまま残る現象である。もしそもそも冷たい水が温かい水よりもずっと低い温度まで過冷却されたとすれば、温かい水が実際に凍り始めるプロセスを先に開始するかもしれない。対流も一役買っている。温かい水では温度勾配が強く、より活発な流れが生じ、容器からの熱損失を加速させる可能性がある。

最近の説明は分子レベルに注目し、水の中の水素結合のネットワークが鍵であると主張している。一つの理論では、加熱によって弱い結合が壊れ、分子のクラスターが形成され、その構造が、直感に反して氷の結晶格子の形成に適した出発点になるという。

まだわかっていないこと

あらゆる理論があるにもかかわらず、最大の疑問はこの効果が本当に意味のある意味で現実であるかどうかである。ヘンリー・バリッジとポール・リンデンが2016年に『サイエンティフィック・レポート』誌で行ったレビューでは、文献を批判的に検討し、自らの実験も行った結果、「Mpemba効果に関する意味のある観測を裏付ける証拠は存在しない」と結論付けた。彼らはこの現象が再現性が低く、多くの場合、温度計の正確な配置などの実験上の誤差で説明できると見なした。

問題の一部は「凍る」という言葉の定義にある。それは表面に氷が現れた瞬間を指すのか、それとも全体が固体の氷の塊になった瞬間を指すのか。異なる研究では異なる定義が使われており、それによって比較が困難になる。この効果は、容器の形、冷蔵庫の方法、水の純度などに非常に敏感であると有名だ。

一つ確かなことは、冷たい水よりも常に温かい水のほうが速く凍るという普遍的な法則は存在しないということである。だが、このアイデアは新たな命を吹き込まれている。物理学者たちは今や、粒状物質から量子系に至るまで、他のシステムにおける「Mpemba効果に類似した現象」を探っている。平衡から遠いシステムが、ときに冷却が速くなることがあるのだ。

学校の生徒のアイスクリームに関する単純な質問が、物理学を50年間も混乱させ続けてきた。これは、地球上で最も親しみやすい物質の中に、我々がまだ探っていなかった深みがあることを強力に思い出させてくれる。

Dans les bonnes conditions, l'eau chaude peut geler plus rapidement que l'eau froide. Cela ressemble à un tour de prestidigitation, mais cette observation remonte à l'antiquité, et les physiciens continuent de débattre non seulement de la raison pour laquelle cela se produit, mais aussi s'il se produit vraiment.

En 1963, un élève de troisième en Tanzanie, nommé Erasto Mpemba, préparait de la glace. Pressé, il mit sa préparation chaude au congélateur sans l'avoir laissée refroidir. À sa grande surprise, elle gela avant les lots préparés par ses camarades. Il demanda à son professeur de physique pourquoi. Le professeur lui dit qu'il avait dû se tromper. Mpemba insista, et lorsqu'un physicien de passage, le Dr Denis Osborne, visita son école, il lui posa à nouveau la question : « Si l'on place deux récipients semblables contenant des volumes égaux d'eau, l'un à 35°C et l'autre à 100°C, dans un congélateur, celui qui était initialement à 100°C gèle en premier. Pourquoi ? »

Osborne était sceptique, mais suffisamment intrigué pour demander à un technicien de son laboratoire à l'Université de Dar es Salaam de réaliser l'expérience. Le technicien confirma le phénomène. Osborne et Mpemba publièrent leurs résultats ensemble dans *Physics Education* en 1969, donnant un nom à un mystère qui avait été caché en clair pendant deux mille ans.

L'observation n'était pas nouvelle. Le philosophe grec Aristotle nota dans ses *Météorologiques* que pour refroidir rapidement l'eau, on la plaçait d'abord au soleil. Francis Bacon et René Descartes documentèrent tous deux le phénomène, Descartes suggérant qu'il était dû au fait que le chauffage éliminait les particules d'eau les moins flexibles. Mais avec un article formel, le débat scientifique moderne avait commencé.

La loterie des mécanismes

Il n'existe aucune explication unique et acceptée du Mpemba effect. À la place, on compte une liste de candidats concurrents, et la réponse correcte semble dépendre entièrement de la configuration spécifique de l'expérience. L'explication la plus simple est l'évaporation : l'échantillon plus chaud perd plus de masse, laissant moins d'eau à geler. C'est certainement un facteur, mais rarement suffisant pour expliquer les différences parfois spectaculaires observées.

D'autres théories regardent à l'intérieur même de l'eau. L'eau chaude contient moins de gaz dissous que l'eau froide, ce qui pourrait modifier ses propriétés thermiques. Un autre candidat populaire est la supercooling, le processus par lequel l'eau peut rester liquide en dessous de son point de congélation. Si l'eau initialement plus froide se surrefroidit à une température bien plus basse que l'eau chaude, cette dernière pourrait commencer le processus effectif de cristallisation en premier. La convection joue également un rôle ; les gradients de température plus importants dans l'eau chaude créent des courants plus vigoureux, potentiellement accélérant le taux de perte de chaleur du récipient.

Des explications plus récentes se concentrent sur le niveau moléculaire, suggérant que le réseau de liaisons hydrogène dans l'eau est la clé. Une théorie propose que le chauffage de l'eau rompt les liaisons faibles, permettant aux molécules de former des structures qui, contre-intuitivement, constituent un point de départ plus favorable pour le réseau cristallin de la glace.

Ce que nous ne savons toujours pas

Pour toutes ces théories, la question la plus importante est de savoir si l'effet est réel au sens d'une observation fiable. Une revue de 2016 par Henry Burridge et Paul Linden publiée dans *Scientific Reports* a examiné de manière critique la littérature et mené ses propres expériences, concluant qu'« il n'existe aucune preuve soutenant des observations significatives de l'effet Mpemba ». Ils ont trouvé que le phénomène n'était pas robustement reproductible et pouvait souvent s'expliquer par des artefacts expérimentaux, comme la position précise des thermomètres.

Une partie du problème réside dans la définition même de « congélation ». S'agit-il du moment où la première glace apparaît à la surface, ou du moment où tout le volume devient un bloc solide de glace ? Les études utilisent des définitions différentes, ce qui rend difficile leur comparaison. L'effet est célèbre pour sa sensibilité à la forme du contenant, à la méthode de réfrigération et à la pureté de l'eau.

L'une des choses dont on est certain, c'est qu'il n'existe pas de loi universelle stipulant que l'eau chaude gèle toujours plus vite que l'eau froide. Et pourtant, l'idée a trouvé une nouvelle vie. Les physiciens explorent maintenant des « effets Mpemba-like » dans d'autres systèmes, allant des matériaux granulaires aux systèmes quantiques, où un système plus éloigné de l'équilibre peut parfois se refroidir plus rapidement.

Une simple question sur la glace d'un collégien a enlacé la physique dans des nœuds pendant la moitié d'un siècle. C'est un rappel puissant du fait qu'au sein de la substance la plus familière sur Terre, il existe des profondeurs que nous n'avons pas encore sondées.

Dalam kondisi yang tepat, air panas bisa membeku lebih cepat daripada air dingin. Ini terdengar seperti trik pesta, tetapi pengamatan ini sudah ada sejak zaman kuno, dan para fisikawan masih berdebat bukan hanya mengapa hal ini terjadi, tetapi bahkan apakah hal ini benar-benar terjadi.

Pada tahun 1963, seorang siswa kelas 3 di Tanganyika bernama Erasto Mpemba sedang membuat es krim. Karena terburu-buru, ia memasukkan campuran panasnya ke dalam freezer tanpa menunggu dingin terlebih dahulu. Kepada kejutannya, campuran tersebut membeku sebelum campuran yang dibuat oleh teman-temannya. Ia bertanya kepada gurunya yang mengajar fisika mengapa hal ini terjadi. Guru tersebut mengatakan bahwa ia pasti salah paham. Mpemba tetap bersikeras, dan ketika seorang fisikawan tamu, Dr Denis Osborne, datang ke sekolahnya, ia mengajukan pertanyaan tersebut kembali: "Jika Anda mengambil dua wadah serupa yang berisi air dengan volume sama, satu pada suhu 35°C dan yang lain pada 100°C, dan memasukkannya ke dalam freezer, maka yang berasal dari suhu 100°C akan membeku lebih dulu. Mengapa?"

Osborne awalnya meragukan, tetapi cukup tertarik untuk meminta seorang teknisi di laboratoriumnya di University College di Dar es Salaam untuk menjalankan eksperimen tersebut. Teknisi tersebut memastikannya. Osborne dan Mpemba mempublikasikan temuan mereka bersama-sama di *Physics Education* pada tahun 1969, memberikan nama pada sebuah teka-teki yang selama dua ribu tahun tersembunyi dalam pengamatan sehari-hari.

Pengamatan ini bukanlah sesuatu yang baru. Filosof Yunani Aristotle mencatat dalam karyanya *Meteorology* bahwa untuk mendinginkan air secara cepat, orang-orang dahulu akan terlebih dahulu meletakkannya di bawah sinar matahari. Francis Bacon dan René Descartes keduanya mencatat fenomena ini, dengan Descartes menyatakan bahwa pemanasan menghilangkan partikel-partikel air yang paling tidak mudah melengkung. Tetapi dengan adanya makalah formal, debat ilmiah modern pun dimulai.

Lotere mekanisme

Tidak ada satu penjelasan pun yang diterima secara umum untuk Mpemba effect. Alih-alih itu, terdapat daftar kandidat yang bersaing, dan jawaban yang benar tampaknya sepenuhnya bergantung pada pengaturan spesifik eksperimen tersebut. Penjelasan yang paling sederhana adalah penguapan: sampel yang lebih panas kehilangan lebih banyak massa, sehingga tersisa lebih sedikit air yang perlu membeku. Faktor ini memang pasti ada, tetapi jarang cukup untuk menjelaskan perbedaan dramatis yang terkadang diamati.

Teori-teori lain melihat ke dalam air itu sendiri. Air panas mengandung lebih sedikit gas terlarut daripada air dingin, yang bisa mengubah sifat termalnya. Kandidat populer lainnya adalah supercooling, yaitu proses di mana air tetap cair di bawah titik beku. Jika air yang lebih dingin awalnya mengalami supercooling hingga suhu yang jauh lebih rendah daripada air panas, maka air panas mungkin mulai membeku membentuk kristal lebih dulu. Konveksi juga berperan; gradien suhu yang lebih kuat di air panas menciptakan arus yang lebih kuat, mungkin meningkatkan laju hilangnya panas dari wadah.

Penjelasan yang lebih baru fokus pada tingkat molekuler, mengusulkan bahwa jaringan ikatan hidrogen dalam air adalah kuncinya. Salah satu teori menyatakan bahwa pemanasan air memecah ikatan lemah, memungkinkan molekul-molekul membentuk struktur yang, secara kontra-intuitif, menjadi titik awal yang lebih baik untuk membentuk kisi kristal es.

Apa yang kita masih belum tahu

Dengan semua teori yang ada, pertanyaan terbesar adalah apakah efek ini benar-benar nyata dalam arti yang dapat diandalkan. Ulasan pada tahun 2016 oleh Henry Burridge dan Paul Linden untuk *Scientific Reports* secara kritis meninjau literatur dan menjalankan eksperimen mereka sendiri, menyimpulkan bahwa "tidak ada bukti yang mendukung pengamatan yang berarti terhadap efek Mpemba." Mereka menemukan bahwa fenomena ini tidak dapat direproduksi secara konsisten dan seringkali bisa dijelaskan oleh artefak eksperimen, seperti penempatan termometer yang tepat.

Salah satu masalah adalah mendefinisikan apa yang dimaksud dengan "membeku". Apakah itu momen pertama es muncul di permukaan, atau momen seluruh volume menjadi blok es padat? Studi-studi berbeda menggunakan definisi yang berbeda, sehingga sulit dibandingkan. Efek ini terkenal sangat sensitif terhadap bentuk wadah, metode pendinginan, dan kebersihan air.

Satu hal yang tampak pasti adalah bahwa tidak ada hukum universal yang menyatakan air panas selalu membeku lebih cepat daripada air dingin. Dan meski begitu, ide ini kembali hidup. Fisikawan sekarang mengeksplorasi 'efek Mpemba-like' dalam sistem lain, mulai dari bahan granular hingga sistem kuantum, di mana sistem yang lebih jauh dari keseimbangan terkadang bisa mendingin lebih cepat.

Pertanyaan sederhana tentang es krim seorang siswa sekolah telah menghimpit fisika selama setengah abad. Ini adalah pengingat yang kuat bahwa dalam zat paling akrab di bumi ini, masih ada kedalaman yang belum kita telusuri.

При определённых условиях горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Это звучит как фокус на вечеринке, но данное наблюдение относится к древним времёнам, и физики до сих пор спорят не только о том, почему это происходит, но и о том, происходит ли это вообще.

В 1963 году ученик третьего класса из Танзании по имени Erasto Mpemba делал мороженое. В спешке он поместил свой горячий состав в морозильную камеру, не дав ему остыть. К его удивлению, он замерз раньше партий, приготовленных его одноклассниками. Он спросил своего учителя физики, почему так произошло. Учитель сказал, что он, должно быть, был в замешательстве. Мпемба настаивал, и когда в школу приехал визитирующий физик доктор Денис Осборн, он снова задал вопрос: "Если взять два одинаковых контейнера с одинаковым объемом воды, один при 35°C, а другой при 100°C, и поместить их в морозильную камеру, тот, который изначально был при 100°C, замерзнет первым. Почему?"

Осборн был скептиком, но настолько заинтересован, что попросил техника в своей лаборатории на факультете в Дар-эс-Салам провести эксперимент. Техник подтвердил результат. Осборн и Мпемба совместно опубликовали свои находки в журнале *Physics Education* в 1969 году, дав имя загадке, которая скрывалась на виду у всех в течение двух тысяч лет.

Наблюдение было не новым. Греческий философ Aristotle отметил в своем труде *Метеорология*, что для быстрого охлаждения воды люди сначала ставили ее на солнце. Фрэнсис Бэкон и René Descartes также описали это явление, причем Декарт предположил, что это связано с тем, что нагревание удаляет из воды "наименее гибкие" частицы. Но с официальной публикацией начался современный научный спор.

Лотерея механизмов

Нет единственного, принятого объяснения Mpemba effect. Вместо этого есть список конкурирующих кандидатов, и правильный ответ, кажется, зависит исключительно от конкретной настройки эксперимента. Самое простое объяснение — испарение: более горячий образец теряет большую массу, оставляя меньше воды для замерзания. Это, безусловно, фактор, но редко достаточно, чтобы объяснить иногда наблюдаемые драматические различия.

Другие теории смотрят внутрь самой воды. Горячая вода содержит меньше растворенного газа, чем холодная, что может изменить ее тепловые свойства. Еще один популярный кандидат — supercooling, процесс, при котором вода может оставаться жидкой ниже точки замерзания. Если более холодная изначально вода переохлаждается до гораздо более низкой температуры, чем горячая, горячая вода может начать фактический процесс кристаллизации первой. Конвекция также играет роль; более сильные температурные градиенты в горячей воде создают более интенсивные течения, которые могут увеличить скорость потери тепла из контейнера.

Более новые объяснения сосредоточены на молекулярном уровне, предполагая, что сеть водородных связей в воде является ключевой. Одна теория утверждает, что нагревание воды разрушает слабые связи, позволяя молекулярным кластерам образовывать структуры, которые, контринтуитивно, являются лучшей отправной точкой для кристаллической решетки льда.

То, чего мы до сих пор не знаем

Несмотря на все теории, самый большой вопрос — это даже ли эффект реально существует в надежном смысле. Обзор 2016 года, проведенный Генри Бериджем и Полом Линденом для *Scientific Reports*, критически изучил литературу и провел собственные эксперименты, приходя к выводу, что "нет доказательств, подтверждающих значимые наблюдения Mpemba effect". Они обнаружили, что это явление не воспроизводится надежно и часто может быть объяснено экспериментальными артефактами, такими как точное расположение термометров.

Частью проблемы является определение того, что означает "замерзание". Это момент появления первых кристаллов на поверхности или момент, когда весь объем становится твердым блоком льда? Разные исследования используют разные определения, что затрудняет их сравнение. Эффект знаменит своей чувствительностью к форме контейнера, методу охлаждения и чистоте воды.

Одно, что кажется очевидным, — это то, что нет универсального закона, утверждающего, что горячая вода всегда замерзает быстрее холодной. И тем не менее, идея получила новую жизнь. Физики теперь изучают "Mpemba-подобные эффекты" в других системах, от сыпучих материалов до квантовых систем, где система, находящаяся дальше от равновесия, иногда может охлаждаться быстрее.

Простой вопрос о мороженом школьника запутал физику на полвека. Это напоминание о том, что в самом знакомом веществе на Земле есть глубины, которые мы еще не исследовали.

Bajo las condiciones adecuadas, el agua caliente puede congelarse más rápido que el frío. Suena como un truco de fiesta, pero la observación se remonta a la antigüedad y los físicos aún debaten no solo sobre por qué ocurre, sino si ocurre realmente.

En 1963, un estudiante de tercer año en Tanganyika llamado Erasto Mpemba estaba haciendo helado. En un apuro, puso su mezcla caliente en el congelador sin dejar que se enfriara primero. Para su sorpresa, se congeló antes que los preparados por sus compañeros. Preguntó a su profesor de física por qué. El profesor le dijo que debía estar confundido. Mpemba insistió, y cuando un físico visitante, el doctor Denis Osborne, llegó a su escuela, le volvió a hacer la pregunta: "Si toma dos recipientes similares con volúmenes iguales de agua, uno a 35 °C y el otro a 100 °C, y los pone en un congelador, el que empezó a 100 °C se congela primero. ¿Por qué?"

Osborne era escéptico, pero lo suficientemente intrigado como para que un técnico de su laboratorio en la Universidad de Dar es Salaam realizara el experimento. El técnico lo confirmó. Osborne y Mpemba publicaron juntos sus hallazgos en *Physics Education* en 1969, dándole nombre a un enigma que había estado oculto a la vista durante dos mil años.

La observación no era nueva. El filósofo griego Aristotle señaló en su *Meteorología* que para enfriar agua rápidamente, la gente la ponía primero al sol. Francis Bacon y René Descartes ambos documentaron el fenómeno, con Descartes sugiriendo que era porque el calentamiento eliminaba las partículas de agua "menos flexibles". Pero con un artículo formal, el debate científico moderno había comenzado.

La lotería del mecanismo

No hay una sola explicación aceptada para el Mpemba effect. En su lugar, hay una lista de candidatos rivales, y la respuesta correcta parece depender enteramente del diseño específico del experimento. La explicación más sencilla es la evaporación: la muestra más caliente pierde más masa, dejando menos agua por congelar. Esto ciertamente es un factor, pero rara vez es suficiente para explicar las diferencias a menudo notables observadas.

Otras teorías miran dentro del agua misma. El agua caliente contiene menos gas disuelto que el agua fría, lo que podría alterar sus propiedades térmicas. Otro candidato popular es la supercooling, el proceso en el cual el agua puede permanecer líquida por debajo de su punto de congelación. Si el agua inicialmente más fría se superenfriara a una temperatura mucho más baja que el agua caliente, el agua caliente podría comenzar el proceso real de cristalización primero. La convección también desempeña un papel; las mayores diferencias de temperatura en el agua caliente generan corrientes más vigorosas, lo que podría aumentar la tasa de pérdida de calor del recipiente.

Explicaciones más recientes se han centrado en el nivel molecular, sugiriendo que la red de enlaces de hidrógeno en el agua es la clave. Una teoría propone que calentar el agua rompe los enlaces débiles, permitiendo que los grupos de moléculas formen estructuras que, contraintuitivamente, son un mejor punto de partida para la red cristalina del hielo.

Lo que aún no sabemos

A pesar de todas las teorías, la mayor pregunta es si el efecto es incluso real en un sentido confiable. Una revisión de 2016 por Henry Burridge y Paul Linden para *Scientific Reports* examinó críticamente la literatura y realizó sus propios experimentos, concluyendo que "no hay evidencia para respaldar observaciones significativas del efecto Mpemba". Encontraron que el fenómeno no era reproducible de manera robusta y que a menudo podía explicarse por artefactos experimentales, como la colocación precisa de los termómetros.

Parte del problema es definir qué significa "congelación". ¿Es el momento en que aparece el primer hielo en la superficie, o el momento en que todo el volumen se convierte en un bloque sólido de hielo? Diferentes estudios usan definiciones distintas, lo que dificulta compararlos. El efecto es famosamente sensible a la forma del recipiente, al método de refrigeración y a la pureza del agua.

Lo único que parece seguro es que no hay una ley universal que establezca que el agua caliente siempre se congela más rápido que el agua fría. Y sin embargo, la idea ha encontrado nueva vida. Los físicos están ahora explorando "efectos similares a Mpemba" en otros sistemas, desde materiales granulares hasta sistemas cuánticos, donde un sistema más alejado del equilibrio puede a veces enfriarse más rápido.

Una pregunta simple sobre el helado de un estudiante ha enredado la física durante medio siglo. Es un recordatorio poderoso de que en la sustancia más familiar de la Tierra, hay profundidades que aún no hemos sondeado.

Unter den richtigen Bedingungen kann warmes Wasser schneller gefrieren als kaltes. Es klingt wie ein Zaubertrick, doch die Beobachtung reicht in die Antike zurück, und Physiker streiten bis heute nicht nur darüber, warum dies geschieht, sondern auch, ob es überhaupt geschieht.

1963 machte ein Schüler der dritten Form in Tansania namens Erasto Mpemba Eiscreme. In Eile stellte er seine heiße Mischung ohne vorheriges Abkühlen in den Gefrierschrank. Überraschenderweise gefror sie schneller als die Chargen seiner Mitschüler. Er fragte seinen Physiklehrer, warum das so sei. Der Lehrer sagte ihm, er müsse sich verwechselt haben. Mpemba bestand aber darauf, und als ein Besucher, der Physiker Dr. Denis Osborne, seine Schule besuchte, stellte er seine Frage erneut: „Wenn man zwei ähnliche Behälter mit gleichen Wasservolumina hat, eines bei 35 °C und das andere bei 100 °C, und man stellt sie beide in den Gefrierschrank, gefriert dasjenige, das bei 100 °C begonnen hat, zuerst. Warum?“

Osborne war skeptisch, fand die Frage aber faszinierend genug, um einen Techniker in seinem Labor an der University College in Dar es Salaam das Experiment durchführen zu lassen. Der Techniker bestätigte das Phänomen. Osborne und Mpemba veröffentlichten 1969 ihre Erkenntnisse gemeinsam in *Physics Education* und gaben einem Rätsel, das seit zweitausend Jahren vor der Nase der Menschen lag, einen Namen.

Die Beobachtung war nicht neu. Der griechische Philosoph Aristotle erwähnte in seiner *Meteorologie*, dass Wasser, um schnell zu kühlen, zuerst in die Sonne gestellt wurde. Francis Bacon und René Descartes dokumentierten beide das Phänomen, wobei Descartes vermutete, dass das Erwärmen die „wenigsten biegsamen“ Partikel des Wassers entferne. Doch mit einem wissenschaftlichen Aufsatz hatte sich das moderne Streben nach Erklärung begonnen.

Der Mechanismus-Losglück

Es gibt keine einheitliche, akzeptierte Erklärung für das Mpemba effect. Stattdessen gibt es eine Liste konkurrierender Kandidaten, und die richtige Antwort scheint sich vollständig von der spezifischen Ausgestaltung des Experiments abhängen zu lassen. Die einfachste Erklärung ist die Verdunstung: Die heißere Probe verliert mehr Masse, sodass weniger Wasser gefriert muss. Dies ist sicher ein Faktor, reicht aber selten aus, um die manchmal beobachteten dramatischen Unterschiede zu erklären.

Andere Theorien blicken ins Wasser selbst. Heißes Wasser enthält weniger gelösten Gas als kaltes, was seine Wärmeleitfähigkeit beeinflussen könnte. Ein weiterer beliebter Kandidat ist supercooling, der Prozess, bei dem Wasser unterhalb seines Gefrierpunkts flüssig bleiben kann. Wenn das ursprünglich kältere Wasser stärker unterkühlt wird als das heiße Wasser, könnte das heiße Wasser zuerst mit dem tatsächlichen Kristallisierungsprozess beginnen. Konvektion spielt ebenfalls eine Rolle; stärkere Temperaturgradienten im heißen Wasser erzeugen kräftigere Strömungen, was möglicherweise die Wärmeverluste aus dem Behälter erhöht.

Neuere Erklärungen konzentrieren sich auf die molekulare Ebene und vermuten, dass das Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser der Schlüssel sei. Eine Theorie besagt, dass das Erwärmen von Wasser schwache Bindungen aufbricht, wodurch sich Molekülcluster bilden können, die, gegen den ersten Eindruck, eine bessere Ausgangsbasis für das Eiskristallgitter bilden.

Was wir immer noch nicht wissen

Trotz all der Theorien ist die größte Frage, ob das Phänomen überhaupt in einem zuverlässigen Sinne real ist. Eine Übersichtsarbeit von Henry Burridge und Paul Linden aus dem Jahr 2016 für *Scientific Reports* untersuchte kritisch die Literatur und führte eigene Experimente durch, und kam zu dem Schluss: „Es gibt keine Belege für sinnvolle Beobachtungen des Mpemba-Effekts.“ Sie fanden heraus, dass das Phänomen nicht robust reproduzierbar ist und sich oft durch experimentelle Artefakte erklären lässt, wie die genaue Platzierung von Thermometern.

Ein Teil des Problems ist die Definition von „Einfrieren“. Ist es der Moment, zu dem das erste Eis auf der Oberfläche erscheint, oder der Moment, zu dem das gesamte Volumen zu einem festen Eisblock geworden ist? Verschiedene Studien verwenden unterschiedliche Definitionen, was sie schwer miteinander zu vergleichen macht. Der Effekt ist berühmt dafür, stark vom Gefäßtyp, der Kühlmethodik und der Reinheit des Wassers abzuhängen.

Eines scheint sicher: Es gibt kein universelles Gesetz, das besagt, dass heißes Wasser immer schneller gefriert als kaltes. Und dennoch hat sich die Idee neu belebt. Physiker untersuchen nun „Mpemba-ähnliche Effekte“ in anderen Systemen, von granularen Materialien bis hin zu Quantensystemen, bei denen Systeme, die weiter vom Gleichgewicht entfernt sind, manchmal schneller abkühlen.

Eine einfache Frage zu dem Eiscreme eines Schülers hat die Physik für fünfzig Jahre in Verwirrung gestürzt. Sie ist eine mächtige Erinnerung daran, dass in der vertrautesten Substanz auf der Erde noch Tiefen liegen, die wir noch nicht erforscht haben.

تحت الظروف الصحيحة، يمكن أن تتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد. يبدو كICKة حفلة، لكن الملاحظة تعود إلى العصور القديمة، ويظل الفيزيائيون حتى اليوم في خلاف ليس فقط حول سبب حدوث ذلك، بل حتى حول ما إذا كان يحدث فعلاً.

في عام 1963، كان طالب في السنة الثالثة في تانغانيكا يُدعى Erasto Mpemba يصنع الآيس كريم. وفي عجلة من أمره، وضع مزيجه الساخن في الثلاجة دون أن يسمح له بالبرودة أولًا. وبمفاجأته، تجمد قبل الدُفعات التي أعدّها زملاؤه. فسأل معلمه في الفيزياء السبب. فأخبره المعلم أنه بالتأكيد كان مخطئًا. واستمر Mpemba في التساؤل، وعندما زار مدرسته عالم فيزياء زائر هو الدكتور دينيس أوزبورن، سأله مرة أخرى: "إذا أخذتَ حاويتين متشابهتين تحتويان على كميتين متساويتين من الماء، واحدة بدرجة حرارة 35 مئوية والأخرى بدرجة حرارة 100 مئوية، ووضعتهما في الثلاجة، فإن الذي بدأ بدرجة حرارة 100 مئوية يتجمد أولًا. لماذا؟"

كان أوزبورن متشككًا، لكنه مهتمًا بما يكفي لطلب من أحد الفنيين في مختبره في كلية جامعة دار السلام أن يقوم بإجراء التجربة. وقد أكّد الفني نتائجها. نُشرت نتائج أوزبورن وMpemba معًا في مجلة *التعليم في الفيزياء* عام 1969، مما أعطى اسمًا لغزًا كان مخفيًا في الأنظار على مدار ألفي عام.

لم تكن الملاحظة جديدة. فقد لاحظ الفيلسوف اليوناني Aristotle في كتابه *المناخات* أنه لتفريج الماء بسرعة، كان الناس يضعونه أولًا في الشمس. ووثق فرانسيس بيكون وRené Descartes الظاهرة، حيث اقترح ديكارت أنها تعود إلى أن التسخين يزيل الجزيئات "التي تُقوس أقل" في الماء. ولكن مع نشر ورقة رسمية، بدأ النقاش العلمي الحديث.

حظوظ الآليات

لا توجد تفسير واحد مقبول لظاهرة Mpemba effect. بل هناك قائمة من المرشحين المتنافسين، ويبدو أن الإجابة الصحيحة تعتمد تمامًا على ترتيب التجربة المحدد. التفسير الأكثر مباشرة هو التبخر: العينة الأ더د تفقد كتلة أكبر، مما يترك كمية أقل من الماء تتجمد. هذا بالتأكيد عامل، لكنه نادرًا ما يكون كافيًا لشرح الفروق الكبيرة التي تُلاحظ أحيانًا.

تُنظر نظريات أخرى إلى داخل الماء نفسه. فالماء الساخن يحتوي على كمية أقل من الغاز المذاب مقارنة بالماء البارد، مما قد يغيّر خصائصه الحرارية. ومرشح آخر شائع هو supercooling، وهي العملية التي يمكن أن يبقى فيها الماء سائلًا تحت درجة التجمد. إذا تجمد الماء البارد في البداية إلى درجة حرارة أقل بكثير من الماء الساخن، فقد يبدأ الماء الساخن عملية التبلور الفعلية أولًا. كما تلعب التيارات دورًا؛ لأن التدرجات الحرارية الأقوى في الماء الساخن تخلق تيارات أكثر نشاطًا، مما قد يزيد من معدل فقدان الحرارة من الحاوية.

وقد تركزت التفسيرات الحديثة أكثر على المستوى الجزيئي، واقترحت أن الشبكة التي تربط الروابط الهيدروجينية في الماء هي المفتاح. فاقتراح نظري واحد يفترض أن تسخين الماء يفكك الروابط الضعيفة، مما يسمح للجزيئات بالاندماج في هيكل يشكل بداية أفضل، بشكل معاكس للمنطق، لشبكة بلورية الثلج.

ما لا نزال لا نعرفه

رغم كل النظريات، فإن أكبر سؤال هو ما إذا كانت الظاهرة حقيقية من الأساس بمعناها الموثوق. فقد قام هنري بيريدج وباول ليندين في مراجعة نُشرت عام 2016 في مجلة *التقارير العلمية* بفحص الأدبيات بشكل نقدي وجرّبوا التجارب بأنفسهم، وخلصوا إلى أن "لا توجد أدلة تدعم ملاحظات ذات معنى لظاهرة مبينبا". ووجدوا أن الظاهرة ليست قابلة للتكرار بشكل موثوق، ويمكن تفسيرها غالبًا بعوامل تجريبية، مثل وضعية الميزان الحراري الدقيق.

جزء من المشكلة هو تعريف "التجميد". هل هو اللحظة التي تظهر فيها أولى قطع الثلج على السطح، أم اللحظة التي يصبح فيها الحجم بأكمله كتلة صلبة من الثلج؟ تستخدم الدراسات المختلفة تعريفات مختلفة، مما يجعل المقارنة بينها صعبة. والظاهرة معروفة بحساسيتها لشكل الحاوية، وطريقة التبريد، ونقاء الماء.

الشيء الوحيد الذي يبدو واضحًا هو أنه لا يوجد قانون عام ينص على أن الماء الساخن يتجمد دائمًا أسرع من الماء البارد. ومع ذلك، فإن الفكرة عثرت على حياة جديدة. يُدرس الفيزيائيون الآن "تأثيرات مبينبا المماثلة" في أنظمة أخرى، من المواد الحبيبية إلى أنظمة الكم، حيث يمكن أن يبرد النظام الذي يبعد أكثر عن التوازن أحيانًا أسرع.

سؤال بسيط عن الآيس كريم الذي جعله طالب مدرسي قد أربك الفيزياء على مدار نصف قرن. إنها تذكير قوية بأن أكثر المواد شيوعًا على وجه الأرض تحتوي على عمق لم نستكشفه بعد.

적절한 조건 하에서는 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 얼 수 있다. 이는 마치 파티에서 하는 기발한 장난처럼 들릴지도 모르지만, 이 현상은 고대 시대부터 기록되어 왔으며, 물리학자들은 여전히 그 이유는 물론 그것이 실제로 일어나는지조차에 대해 논쟁을 벌이고 있다.

1963년, 탄자니아의 3학년 학생 Erasto Mpemba은 아이스크림을 만들고 있었다. 서둘러 뜨거운 혼합물을 식히지 않은 채 냉동고에 넣었는데, 놀랍게도 그의 배치는 동료들이 만든 것보다 먼저 얼어붙었다. 그는 물리 선생님에게 이유를 물어봤지만, 선생님은 그가 혼란스러워졌다고 말했다. Mpemba는 포기하지 않았고, 학교에 방문한 물리학자인 데니스 오스본 박사에게 다시 물었다. "유사한 용기에 물을 같은 양으로 넣고, 하나는 35°C, 다른 하나는 100°C로 하여 냉동고에 넣으면, 100°C로 시작한 물이 먼저 얼어붙습니다. 왜 그런가요?"

오스본은 회의적이었지만 충분히 흥미를 느껴 다르에스살람의 대학 콜리지에서 실험 기술자가 실험을 해보도록 했다. 기술자는 그 현상을 확인해 주었다. 오스본과 Mpemba는 1969년에 *Physics Education*에 공동으로 연구 결과를 발표하며, 2천 년 동안 눈에 보이면서도 숨겨져 있던 이 수수께끼에 이름을 붙였다.

이 관찰은 새롭지 않았다. 고대 그리스 철학자 Aristotle은 그의 저서 『기상학』에서 물을 빠르게 식히기 위해 먼저 태양에 노출시키는 방법을 기록했다. 프랜시스 베이컨과 René Descartes 모두 이 현상을 기록했는데, 데카르트는 가열이 물의 '가장 굽을 수 없는' 입자들을 제거하기 때문이라고 제안했다. 하지만 공식적인 논문을 통해 현대 과학의 논쟁이 시작되었다.

작용 메커니즘의 추첨

Mpemba effect에 대한 단일하고 받아들여진 설명은 없다. 대신 경쟁하는 후보들이 줄을 서 있고, 올바른 답은 실험의 구체적인 설정에 완전히 의존한다. 가장 간단한 설명은 증발이다. 더 뜨거운 샘플은 더 많은 질량을 잃게 되어, 얼어야 할 물의 양이 줄어든다. 이는 분명히 영향을 미치지만, 때때로 관찰되는 극적인 차이를 설명하는 데는 부족하다.

다른 이론들은 물 자체 속으로 시선을 돌린다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 용해된 가스를 적게 함으로써 열적 성질이 달라질 수 있다. 또 다른 인기 있는 후보는 supercooling, 물이 냉각점 이하에서도 액체 상태를 유지할 수 있는 과냉각 현상이다. 처음에 차가운 물이 뜨거운 물보다 훨씬 낮은 온도로 과냉각되면, 뜨거운 물이 먼저 결정화 과정을 시작할 수 있다. 대류도 한몫하는데, 뜨거운 물의 강한 온도 경사가 더 강한 유동을 만들어 냄으로써 용기에서 열 손실 속도를 높일 수 있다.

최근에는 분자 수준의 설명이 주목받고 있다. 물의 수소 결합 구조가 열쇠라는 주장이 제기되고 있다. 한 이론은 물을 가열하면 약한 결합이 끊어져 분자 클러스터가 형성되고, 이는 직관에 반하는 방식으로 얼음 결정 격자 형성에 더 좋은 출발점이 될 수 있다고 제안한다.

여전히 알지 못하는 것들

이론들이 무수히 많지만, 가장 큰 질문은 이 효과가 정말로 신뢰할 수 있는 현상인지 여부이다. 2016년 헨리 버리지와 폴 린든이 *Scientific Reports*에 발표한 검토 논문은 문헌을 비판적으로 검토하고 자체 실험을 수행한 결과, "Mpemba 효과에 대한 의미 있는 관찰에 대한 증거는 없다"고 결론내렸다. 그들은 이 현상이 재현성이 떨어지고, 온도계의 정확한 배치와 같은 실험 오류로 설명될 수 있다고 판단했다.

문제의 일부는 '얼음이 지는' 것을 어떻게 정의하느냐이다. 표면에 얼음이 처음 나타나는 순간을 기준으로 할 것인가, 아니면 전체 부피가 고체 블록으로 변하는 순간을 기준으로 할 것인가? 연구마다 정의가 달라져 비교가 어렵다. 이 효과는 용기의 모양, 냉각 방법, 물의 순도에 매우 민감하다는 사실이 유명하다.

확실히 말할 수 있는 것은, 차가운 물보다 항상 뜨거운 물이 더 빨리 얼어붙는다는 보편적인 법칙은 없다는 점이다. 그럼에도 불구하고, 이 아이디어는 새로운 생명을 얻고 있다. 물리학자들은 이제 'Mpemba 효과'와 유사한 현상을 다른 시스템, 예를 들어 입자 물질이나 양자 시스템에서 탐구하고 있다. 균형에서 더 멀리 떨어진 시스템이 때때로 더 빠르게 식을 수 있다는 것이다.

아이스크림을 만든 학생의 간단한 질문은 반세기 동안 물리학을 얽매어 놓았다. 지구상에서 가장 익숙한 물질에도 우리가 아직 탐사하지 못한 깊이가 있다는 것을 상기주는 강력한 경고이다.

उचित परिस्थितियों में, गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम सकता है। ऐसा एक पार्टी का जादू लग सकता है, लेकिन यह निरीक्षण प्राचीन काल से जुड़ा हुआ है, और भौतिक विज्ञानी अब भी इस बात पर न केवल इसके कारण के बारे में बल्कि इस बात के बारे में भी बहस करते हैं कि क्या ऐसा ही होता है।

1963 में, एक फॉर्म 3 के छात्र, जिसका नाम टंगान्यिका में Erasto Mpemba था, बर्फी बना रहा था। जल्दी में, उसने अपने गर्म मिश्रण को ठंडा होने दिए बिना फ्रीजर में डाल दिया। उसके अचरज के साथ, यह अपने कक्षा के साथियों द्वारा तैयार किए गए बैचों से पहले जम गया। उसने अपने भौतिकी शिक्षक से पूछा कि ऐसा क्यों हुआ। शिक्षक ने कहा कि उसे भ्रमित होना चाहिए। एम्पेम्बा ने अड़े रहे, और जब एक आगंतुक भौतिकविद, डॉ. डेनिस ओसबर्न, उनके स्कूल में आए, तो उसने फिर से सवाल किया: "यदि आप दो समान पात्रों में 35°C और 100°C पर बराबर मात्रा में पानी लेते हैं और उन्हें फ्रीजर में रख देते हैं, तो 100°C पर शुरू हुआ वह पहले जम जाता है। क्यों?"

ओसबर्न संदेहास्पद थे, लेकिन इतने आकर्षित थे कि उन्होंने डार एस सलाम में अपने विश्वविद्यालय में एक प्रयोगशाला के तकनीशियन को प्रयोग करवाया। तकनीशियन ने इसे पुष्टि कर दिया। ओसबर्न और एम्पेम्बा ने 1969 में *भौतिकी शिक्षा* में अपने अवलोकन प्रकाशित किए, जिसमें एक ऐसे पहेली को नाम दिया गया जो दो हजार साल से खुले आम में छिपी हुई थी।

अवलोकन नया नहीं था। यूनानी दार्शनिक Aristotle ने अपनी *मौसमी विज्ञान* में नोट किया कि तेजी से पानी को ठंडा करने के लिए लोग पहले उसे धूप में रखते थे। फ्रांसिस बेकन और René Descartes दोनों ने इस परिघटना को दर्ज किया, जहां डेकार्ट ने सुझाव दिया कि गर्म करने से पानी के 'सबसे कम मुड़ने वाले' कण निकल जाते हैं। लेकिन एक औपचारिक पेपर के साथ, आधुनिक वैज्ञानिक तर्क शुरू हो गया।

यांत्रिकी की लॉटरी

Mpemba effect के लिए कोई एकल, स्वीकृत स्पष्टीकरण नहीं है। इसके बजाय, एक प्रतिस्पर्धी उम्मीदवारों की सूची है, और सही उत्तर लगभग पूरी तरह से प्रयोग के विशिष्ट सेटअप पर निर्भर करता है। सबसे सरल स्पष्टीकरण वाष्पन है: गर्म नमूना अधिक द्रव्यमान खो देता है, जिससे जमने वाला पानी कम रह जाता है। यह निश्चित रूप से एक कारक है, लेकिन अक्सर प्रेक्षित उल्लेखनीय अंतर के लिए पर्याप्त नहीं होता है।

अन्य सिद्धांत पानी के अंदर देखते हैं। गर्म पानी में ठंडे पानी की तुलना में कम घुले हुए गैस होते हैं, जो उसके तापीय गुणों को बदल सकते हैं। एक अन्य लोकप्रिय उम्मीदवार supercooling है, जो प्रक्रिया है जिसमें पानी अपने जमने के बिंदु से नीचे तरल रह सकता है। यदि प्रारंभिक रूप से ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में बहुत कम तापमान तक अतिशीतित हो जाता है, तो गर्म पानी ठोस के वास्तविक प्रक्रिया के शुरुआती चरण को पहले शुरू कर सकता है। संवहन भी एक भूमिका निभाता है; गर्म पानी में तापमान ग्रेडिएंट में अधिक तीव्रता अधिक उत्साही धाराओं का कारण बन सकती है, जो संभवतः बर्फ में ऊष्मा हानि की दर को बढ़ा सकती है।

हाल के समय में स्पष्टीकरण अणु स्तर पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, जिसमें पानी में हाइड्रोजन बांडों की जाली मुख्य है। एक सिद्धांत यह सुझाव देता है कि पानी को गरम करने से कमजोर बांड टूट जाते हैं, जो अणुओं के समूहों के गठन की अनुमति देते हैं, जो अंतर्दृष्टि के विपरीत बर्फ के ठोस जाल के लिए एक बेहतर शुरुआती बिंदु हो सकते हैं।

जो हम अभी भी नहीं जानते

सभी सिद्धांतों के बावजूद, सबसे बड़ा सवाल यह है कि प्रभाव वास्तव में एक विश्वासपूर्ण अर्थ में वास्तविक है या नहीं। हेनरी बरिज और पॉल लिंडन द्वारा 2016 में *वैज्ञानिक रिपोर्ट* के लिए एक समीक्षा ने सामग्री की आलोचनात्मक जांच की और अपने प्रयोग करके निष्कर्ष निकाला कि "एम्पेम्बा प्रभाव के सार्थक अवलोकन के समर्थन में कोई सबूत नहीं है।" उन्होंने पाया कि परिघटना निरंतर पुनरावृत्ति के लिए अपर्याप्त थी और अक्सर प्रयोगात्मक त्रुटियों, जैसे थर्मामीटर की सटीक स्थिति, द्वारा समझा जा सकता था।

समस्या का एक हिस्सा यह परिभाषित करना है कि "जमना" क्या है। क्या यह सतह पर पहली बर्फ के दिखाई देने का पल है, या यह पल है जब पूरी मात्रा एक ठोस ब्लॉक में बदल जाती है? अलग-अलग अध्ययन अलग-अलग परिभाषाओं का उपयोग करते हैं, जिससे उन्हें तुलना करना मुश्किल हो जाता है। प्रभाव बर्तन के आकार, शीतलन की विधि और पानी की शुद्धता के लिए प्रसिद्ध रूप से संवेदनशील है।

एक बात जो लगभग निश्चित है वह यह है कि कोई भी सार्वभौमिक नियम नहीं है जो बताता है कि गर्म पानी हमेशा ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। और फिर भी, यह धारणा नए जीवन में आई है। भौतिकविद अब अन्य प्रणालियों में 'एम्पेम्बा-जैसे प्रभाव' की खोज कर रहे हैं, जैसे कि ग्रैन्युलर सामग्री से लेकर क्वांटम प्रणालियों तक, जहां असंतुलित अवस्था में एक प्रणाली कभी-कभी तेजी से ठंडी हो सकती है।

एक स्कूली बच्चे के बर्फी के बारे में एक सरल सवाल ने भौतिकी को अर्धशताब्दी तक तार-तार कर दिया है। यह एक शक्तिशाली याद दिलाता है कि पृथ्वी पर सबसे परिचित पदार्थ में भी, हमने अभी तक गहराई नहीं खोदी है।

The Mpemba Effect