Ikke hver skje med is kan beskrives som «skjebnesvangre». Men et parti iskrem Erasto Mpemba laget som tenåring i Tanzania i 1963, skapte bølger i fysikk som fortsatt merkes nesten 60 år senere. Det er fordi det så ut til å være bevis på en merkelig og kontraintuitiv idé: at en varm væske kan fryse raskere enn en kald.
Hjemmelaget is var en populær snack da han var elev ved Magamba Secondary School, Mpemba skrev i en tidsskriftartikkel publisert i 1969. “Guttene på skolen gjør dette ved å koke melk, blande den med sukker og sette den i frysekammeret i kjøleskapet, etter at den først er avkjølt til nesten romtemperatur,” forklarte han. Men konkurransen om fryseren var intens. En ettermiddag tok han og en annen gutt to forskjellige snarveier mens de jockeyet etter plass. Mpembas klassekamerat blandet melken sin med sukker og helte den rett i et isbrett uten å koke det i det hele tatt. For ikke å bli overgått, kokte Mpemba melken sin – men hoppet over trinnet med å la den avkjøles slik at han kunne ta det siste isbrettet. En og en halv time senere, “brettet med melk hadde frosset til is mens hans fortsatt bare var en tykk væske,” skrev Mpemba.
Noen år senere spurte Mpemba sin naturfaglærer på videregående skole hvorfor dette kunne være – hvorfor varm melk ville fryse raskere enn kald melk, noe som strider mot Newtons lov om avkjøling. Lærerens svar var: “Alt jeg kan si er at det er Mpembas fysikk og ikke den universelle fysikken.” Hendelsen ble en løpende spøk i klasserommet. Hver gang Mpemba tok feil i et matematisk problem, kalte læreren og klassekameratene det «Mpembas matematikk».
Fast bestemt på å finne en forklaring, gjentok Mpemba eksperimentet med varmt og kaldt vann. Og da fysikeren Denis Osborne besøkte videregående skole, spurte han ham også om hendelsen. Interessert inviterte Osborne Mpemba til å besøke det som nå er University of Dar es Salaam og diskutere saken videre, og deretter sette opp den relaterte forskningen som til slutt ble publisert. Artikkelen hjalp et prinsipp som Aristoteles, René Descartes og Sir Francis Bacon alle hadde observert gjennom århundrene og ble kjent som Mpemba-effekten.
Mpemba og Osbornes påstander skapte flere tiår med kontrovers innenfor fysikkverdenen, siden de utfordret grunnleggende teorier om hvordan materie oppfører seg. Mange forskere prøvde å gjenskape resultatene sine, med begrenset suksess. I 2016, fysiker Henry Burridge fra Imperial College London og matematiker Paul Linden fra University of Cambridge publiserte en omfattende anmeldelse av mange av studiene som hadde forsøkt å bekrefte fenomenet, og rapporterte “dessverre” at de ikke var i stand til å finne noe bevis på en Mpemba-effekt. Verre, konkluderte de med at alle disse studiene – inkludert Mpembas originale eksperiment – lett kunne ha blitt forskjøvet av små eksperimentelle faktorer som oppsett av utstyrsisolasjon eller plassering av termometre.
Nedkjøling og kaos
Fra og med 2017 snudde en ny kontingent av studier endelig hjørnet for å bekrefte Mpembas observasjon, og antydet at forklaringen ligger i kaosets mystiske mekanikk. Og det viser seg at vann i seg selv kan ha vært en stor hindring for å bevise den større teorien. Det oppfører seg annerledes enn de fleste andre stoffer, spesielt ettersom det endrer tilstand mellom fast, flytende og gass, så forskere på Mpemba-effekten så ut til å fjerne vann fra ligningen helt.
I et abstrakt eksperiment ment å nullstille kreftene i arbeid, varmet fysikeren John Bechhoefer og hans kolleger opp mikroskopiske glassperler (ment å stå inn for vannmolekyler) med lasere og så på avkjølingshastigheten. De fant ut at ikke bare noen varme perler avkjølte seg raskere enn sine kalde kolleger, men noen ganger gjorde de det eksponentielt raskere. “Enkelheten i studien er en del av dens skjønnhet,” teoretisk fysiker Marija Vucelja fortalte Science News. “Det er en av disse veldig enkle oppsettene, og den er allerede rik nok til å vise denne effekten.”
Ikke lenge etter det publiserte en annen gruppe fysikere en oppfølgingsartikkel foreslår et mer abstrakt rammeverk for å forstå Mpemba-effekten, som innebar modellering av den tilfeldige dynamikken til partikler. Resultatene tyder på at nøkkelen til Mpemba-mysteriet er en dose kaos. Spesielt sies en væske som beveger seg raskt fra varmt til kaldt å være “ute av likevekt”, noe som betyr at det er et system som ikke følger de lineære reglene vi (eller Newton) kan forvente at det skal.
“Vi har alle dette naive bildet som sier at temperaturen bør endre seg monotont,” studieforfatter Oren Raz fortalte magasinet Quanta (som betyr at vi kan anta at en væske som avkjøler fortsetter å gå jevnt i én retning uten å gjøre vesentlige reverseringer). “Du starter ved en høy temperatur, deretter en middels temperatur, og går til en lav temperatur.” Men i et system utenfor likevekt, “kan du ha merkelige snarveier,” sa Raz.
Ulike publikasjoner tilbød stemningsfulle metaforer for å forklare disse snarveiene: Science News sammenlignet en varm væskekjøling under Mpemba-effekten med “hvordan en turgåer kan komme raskere til et reisemål ved å starte lenger unna, hvis dette utgangspunktet lar turgåeren unngå en vanskelig stigning over et fjell.” Alternativt Fysikk i dag antydet at det er litt som om noen bruker tråkk for å krysse en elv, og skriver: “Hvis du har riktig startenergi, kan du hoppe rett fra den første til den tredje uten å lande på den andre.” Siden en varm væske er mer ute av likevekt enn en kald, kan den ha akkurat den rette energien til å hoppe over steiner.
Et annet ord for det er kurtosis, et statistisk begrep som refererer til avviket fra et gjennomsnitt, som ser ut til å spille en viktig rolle i Mpemba-effektrelatert atferd. Temperaturen til en væske refererer vanligvis til gjennomsnitt hastigheten til molekylene – men hver væske vil ha ytterlige molekyler som oppfører seg mye annerledes enn de andre. I tilfeller der Mpemba-effekten oppstår, ser disse uteliggere ut til å spille en stor rolle, Antonio Lasanta, en fysiker som har publisert flere artikler som bekrefter fenomenet, fortalte Cosmos. Ved å ta hensyn til kurtosis i eksperimenter relatert til denne typen kjøling og oppvarming, “kan vi gjøre analytiske beregninger for å vite hvordan og når Mpemba-effekten vil oppstå,” sa Lasanta. Det er absolutt et skritt mot å avdekke Mpemba-mysteriet, selv om det er mye igjen å finne ut om når effekten dukker opp og hvor sterk den er når den gjør det.
Erasto Mpemba vokste opp for å jobbe som spilloffiser i Tanzanias departement for naturressurser og turisme og døde rundt 2020, etter at isen hans ble bekreftet. Selv om det fortsatt er mye vi ikke vet om effekten som bærer navnet hans, ser det ut til at det tross alt er “Mpembas fysikk”.