Το θερμό νερό μπορεί στην πραγματικότητα να παγώσει γρηγορότερα από το κρύο νερό για ένα ευρύ φάσμα πειραματικών συνθηκών. Αυτό το φαινόμενο είναι εξαιρετικά αντίθετο με την διαίσθηση, και προκαλεί έκπληξη ακόμη και στους περισσότερους επιστήμονες, αλλά είναι στην πραγματικότητα αληθινό. Έχει παρουσιαστεί και έχει μελετηθεί σε πολυάριθμα πειράματα. Ενώ αυτό το φαινόμενο ήταν γνωστό για αιώνες και περιγράφηκε από τον Αριστοτέλη, τον Bacon, και Descartes (Καρτέσιο), αυτό δεν εισήχθη στην σύγχρονη επιστημονική κοινότητα έως το 1969, παρά από ένα μαθητή του Λυκείου, τον Mpemba από την Τανζανία.
Και η πρόωρη επιστημονική ιστορία αυτού του φαινομένου αλλά και η ιστορία που ξανα-ανακαλύφθηκε από τον Mpemba, είναι ενδιαφέρουσες από την δικιά τους σκοπιά — η ιστορία του Mpemba μερικώς μας παρέχει μια δραματική παραβολή εναντίον της παραγωγής βιαστικών κρίσεων για κάτι που μας φαίνεται αδύνατο. Αυτή η ιστορία περιγράφεται ξεχωριστά κατωτέρω.
Το φαινόμενο ότι το θερμό νερό μπορεί να παγώσει γρηγορότερα από κρύο καλείται συχνά φαινόμενο Mpemba. Επειδή, χωρίς αμφιβολία, οι περισσότεροι από μας είναι εξαιρετικά δύσπιστοι σε αυτό το σημείο, πρέπει να αρχίσουμε δηλώνοντας ακριβώς τι εννοούμε με το φαινόμενο Mpemba.
Αρχίζουμε με δύο δοχεία νερό, τα οποία είναι ίδια της ίδιας μορφής, και που συγκρατούν τα ίδια ποσά νερού. Η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι το νερό στο ένα είναι σε μια υψηλότερη (ομοιόμορφη) θερμοκρασία από το νερό στο άλλο δοχείο. Εν συνεχεία ψύχουμε και τα δύο δοχεία, χρησιμοποιώντας την ίδια ακριβή διαδικασία ψύξης για κάθε δοχείο. Κάτω από ορισμένες συνθήκες το αρχικά θερμότερο νερό θα παγώσει πρώτα. Εάν αυτό το φαινόμενο εμφανιστεί, έχουμε δει το φαινόμενο Mpemba. Φυσικά, το αρχικά θερμότερο νερό δεν θα παγώσει για όλες τις αρχικές συνθήκες πριν από το αρχικά πιό ψυχρό νερό.
Εάν το θερμό νερό αρχίσει στους 99,9 βαθμούς Κελσίου, και το ψυχρό νερό στους 0,01 βαθμούς Κελσίου, τότε σαφώς κάτω από αυτές τις συνθήκες, το αρχικά ψυχρότερο νερό θα παγώσει πρώτα. Αλλά δεν θα δείτε το φαινόμενο Mpemba για οποιεσδήποτε αρχικές θερμοκρασίες, μορφές δοχείων, και συνθήκες ψύξης. Αυτό φαίνεται αδύνατο, έτσι δεν είναι; Πολλοί σκεπτικοί αναγνώστες μπορεί να έχουν βρει ήδη μια κοινή απόδειξη ότι το φαινόμενο Mpemba είναι αδύνατο.
Η απόδειξη συνήθως ταιριάζει με το παρακάτω σκεπτικό. Πείτε ότι το αρχικά πιό δροσερό νερό αρχίζει στους 30 βαθμούς Κελσίου και παγώνει μέσα σε 10 λεπτά, ενώ το αρχικά θερμότερο νερό αρχίζει στους 70 βαθμούς Κελσίου. Τώρα το αρχικά θερμότερο νερό πρέπει να δαπανήσει κάποιο χρονικό διάστημα για να φτάσει έως τους 30 βαθμούς Κελσίου, και μετά από αυτόν τον χρόνο, θα του πάρει άλλα 10 λεπτά για να παγώσει έως τους 0 βαθμούς. Έτσι φαίνεται ότι το αρχικά θερμότερο νερό πρέπει να ξοδέψει περισσότερο χρόνο για να φτάσει στην ίδια κατάσταση με το ψυχρότερο, σωστά; Τι μπορεί όμως να είναι λάθος με αυτήν την απόδειξη;
Αυτό που πάει λάθος σε αυτήν την απόδειξη είναι ότι σιωπηρά υποθέτουμε ότι το νερό χαρακτηρίζεται απλά από έναν μοναδικό αριθμό — τη μέση θερμοκρασία του. Αλλά εάν άλλοι παράγοντες εκτός από τη μέση θερμοκρασία του είναι σημαντικοί, κατόπιν όταν ψυχθεί το αρχικά θερμότερο νερό σε μια μέση θερμοκρασία 30 βαθμούς Κελσίου ομοιόμορφα, μπορεί αυτό να εμφανίζεται πολύ διαφορετικό από το αρχικά πιό δροσερό νερό (σε 30 βαθμούς Κελσίου). Γιατί όμως; Επειδή το νερό μπορεί να είχε αλλάξει όταν ψύχθηκε από τους 70 βαθμούς Κελσίου σε μέση θερμοκρασία 30 βαθμών Κελσίου.
Η απόδειξη
Δύο φυσικοί από το πολυτεχνείο Nanyang της Σιγκαπούρης ωστόσο, θεωρούν πως έφτασαν σε μια ολοκληρωμένη εξήγηση του φαινομένου, η οποία λαμβάνει υπόψη τις ιδιαίτερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων του νερού.
Κάθε μόριο νερού δεσμεύεται με τα γειτονικά του με έναν ηλεκτρομαγνητικό δεσμό που ονομάζεται δεσμός υδρογόνου. Αυτός είναι μάλιστα που ευθύνεται και για την μεγάλη επιφανειακή τάση που εμφανίζει το νερό, αλλά και για την υψηλή θερμοκρασία βρασμού που έχει το νερό συγκριτικά με άλλα υγρά.
Οι Dr. Sun Changqing και Dr. Xi Zhang προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα, θεωρώντας πως οι δεσμοί υδρογόνου ρυθμίζουν και τον τρόπο με τον οποίο το νερό αποθηκεύει και απελευθερώνει ενέργεια. Σύμφωνα με αυτούς, ο ρυθμός της μεταβολής της ενέργειας στα μόρια νερού εξαρτάται από την αρχική κατάσταση του.
Συγκεκριμένα όταν το νερό ζεσταίνεται, οι δεσμοί υδρογόνου αλληλεπιδρούν με τους ομοιοπολικούς δεσμούς που συμμετέχουν επίσης στα μόρια νερού, κάνοντάς τους τελευταίους να μικρύνουν, αποθηκεύοντας ενέργεια κατά τη θέρμανσή τους. Αυτή η σύμπτυξη κατά τη θέρμανση, οδηγεί στην απελευθέρωση ενέργειας με εκθετικά μεγαλύτερο ρυθμό κατά τη διάρκεια της ψύξης, σε σχέση με το ψυχρότερο νερό στο οποίο οι ομοιοπολικοί δεσμοί δεν είναι συμπιεσμένοι. Με αυτό υπόψη κατάφεραν να υπολογίσουν πως το θερμό νερό παγώνει όντως υπό περιστάσεις πιο γρήγορα μέσα σε ένα καταψύκτη από ότι το ψυχρότερο νερό, καθώς το θερμό νερό μεταφέρει την ενέργεια του εκθετικά γρηγορότερα.
Θα μπορούσε ίσως να έχει λιγότερη μάζα, λιγότερο διαλυμένο αέριο, ή ρεύματα μεταφοράς που παράγουν μια ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας. Ή θα μπορούσε να έχει αλλάξει το περιβάλλον γύρω από το δοχείο στο ψυγείο. Και οι τέσσερις αυτές αλλαγές είναι πιθανά σημαντικές, και κάθε μια αλλαγή θα εξεταστεί χωριστά παρακάτω. Έτσι η αδύνατη απόδειξη που φαινόταν πιό πάνω δεν υπάρχει. Και στην πραγματικότητα το φαινόμενο Mpemba έχει παρατηρηθεί σε διάφορα ελεγχόμενα πειράματα.
Γιατί όμως η σύγχρονη επιστήμη δεν έχει απαντήσει σε αυτήν την φαινομενικά απλή ερώτηση για το νερό που ψύχεται; Το κύριο πρόβλημα για αυτό είναι ότι ο χρόνος που χρειάζεται το νερό για να παγώσει είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε διάφορες λεπτομέρειες πάνω στο πειραματικό σύνολο, όπως είναι η μορφή και το μέγεθος του δοχείου, η μορφή και το μέγεθος της μονάδας ψύξης, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό και η περιεκτικότητα του νερού σε ακαθαρσίες, πώς καθορίζεται ο χρόνος της ψύξης, και άλλα πολλά. Λόγω λοιπόν αυτής της ευαισθησίας, ενώ τα πειράματα γενικά έχουν συμφωνήσει ότι πράγματι υπάρχει το φαινόμενο Mpemba, οι φυσικοί διαφωνούν πάνω στους όρους κάτω από τους οποίους εμφανίζεται, και γιατί εμφανίζεται έτσι. Όπως έγραψε ένας Φυσικός”Υπάρχει τέτοιος πλούτος πειραματικής παραλλαγής στο πρόβλημα έτσι ώστε οποιοδήποτε εργαστήριο που αναλαμβάνει τέτοιες έρευνες, είναι εγγυημένο πως θα παρουσιάζει διαφορετικά αποτελέσματα από όλους τους άλλους.
Έτσι με τον περιορισμένο αριθμό πειραμάτων που γίνονται, συχνά κάτω από πολύ διαφορετικούς όρους, κανένας από τους προτεινόμενους μηχανισμούς δεν μπορεί να πιστοποιηθεί με βεβαιότητα ως “ο κύριος μηχανισμός”.
