Эффект Мпембы

   Если спросить человека, мало сведущего в вопросах науки: какая вода быстрее замёрзнет и кристаллизуется на морозе – холодная или горячая, то человек ответит, что, конечно, холодная, ведь горячей воде надо ещё успеть остыть до нуля градусов! Вроде бы, очевидная вещь! Но, оказалось, что очевидность бывает обманчивой! В 1963 году в африканской стране Танзании школьник Эрасто Мпемба на уроке кулинарии по заданию учителя занимался изготовлением мороженого. По правилам полагалось остудить горячее сладкое молоко, и только после этого ставить молоко в морозилку холодильника. Но Мпемба решил самовольно ускорить процесс, и, в нарушении правил, поставил горячее молоко в морозилку. Ученик заметил, что горячее молоко в морозилке замерзает и кристаллизуется быстрее, чем холодное молоко. Это его очень удивило. Мпемба обратился к учителю с вопросом о подобном странном поведении горячего молока. Учитель сказал, что этого не может быть, потому что не может быть никогда, это против законов физики. Несколько лет спустя Мпемба встретился на лекции в университете с английским учёным, профессором физики Деннисом Осборном. Мпемба задал вопрос об этом странном явлении профессору. Были проведены дополнительные опыты, эффект подтвердился. В 1969 году в одном из физических журналов появилась статья Мпембы и Осборна об этом странном и неожиданном эффекте. Публикация привлекла внимание учёных. Последовали публикации других учёных по теме эффекта Мпембы. Много позднее выяснилось, что подобный эффект был известен ещё Аристотелю (Древняя Греция). И в Средние века он обратил на себя внимание некоторых учёных. Но обстоятельным его изучением так никто тогда и не занялся.         

   О том, что тела при нагревании расширяются, а при охлаждении – сжимаются, я узнал ещё в школе. И в школе же узнал о странном поведении воды при охлаждении и кристаллизации. Вода при кристаллизации не сжимается, а расширяется, делается больше в объёме. И действительно, плотность льда меньше плотности воды, потому лёд плавает на поверхности. Это значит, что в кубическом метре льда молекул воды меньше, чем в кубическом метре воды. Соответственно, масса кубометра льда меньше массы кубометра воды. Окончив школу и учась в профессиональном училище связи, в январе, в морозный день 1976 года, я решил проверить утверждение о расширении воды при заморозке. Налил полную стеклянную бутылку обычной воды, заткнул пробкой, и выставил на балкон, на мороз, на всю ночь. На следующий день обнаружил, что бутылку разорвало, а вместо воды – кусок льда. В следующие годы потом не раз приходилось слышать, как замёрзшая вода в металлических трубах разрывала даже металл!      

   В армию призвали меня в середине ноября 1977 года. Служил в Карелии два с лишним года. Так получилось, но зимы 1977/78 и 1978/79 годов выдались аномально холодными. Этим и вошли в историю. Несмотря на морозы, приходилось много работать на улице, особенно по первому году. Помню, наш Пограничный отряд получил несколько вагонов угля. Нашу роту связи послали на разгрузку. Температура на улице – 25 градусов мороза. Работая, холода не замечаешь. Уголь, то ли при добыче, то ли в пути, насквозь, до дна, был смочен водой. И при морозе – воду схватило, уголь слипся, сморозился. Уголь, когда он сухой, из специального вагона для угля, высыпается легко – открываются нижние люки, и он сам вываливается, сразу на обе стороны. В нашем случае всё было намного сложнее; уголь не только смерзся, но и вываливать его надо было только в одну сторону. Когда открыли нижние люки, то вывалилась лишь малая часть угля. Остальное пришлось крушить ломами и сгребать вниз лопатами. Работали весь день. Обед доставили нам прямо на рабочее место, в металлических термосах. Ели прямо на улице. Я заметил, как горячий суп, налитый в металлическую миску, сначала быстро загустевал и очень быстро остывал. Так что пришлось есть торопливо, пока он весь не превратился в лёд. Конечно, тогда я об эффекте Мпембы ничего не знал.      

   Уже после армии мне стало известно об интересном феномене поведения кипятка на морозе, когда горячая вода веером разбрызгивается вверх. Она почти мгновенно кристаллизуется, превращается в лёд. Сейчас понятно, что это проявление эффекта Мпембы. Но единого и внятного ответа на вопрос – почему это происходит – до сих пор нет. Есть предположения, гипотезы, догадки, но все они строятся на шаткой почве. Вероятно, потому, что это явление не столько термодинамическое, сколько квантовое. Недаром кто-то сравнил поведения кипятка на сильном морозе с поведением жидкого гелия, особенности которого обусловлены именно квантовыми явлениями.   

   Как уже говорил, при охлаждении и кристаллизации, вода, вернее, молекулярная среда из молекул воды, увеличивается в объёме, расстояние между молекулами воды увеличивается. Молекулы воды образуют структуру кристалла, иную форму молекулярных связей. Когда холодную воду нагревают, то она также увеличивается в объёме, молекулы воды удаляются друг от  друга. Когда горячая вода (уже расширенная) резко оказывается на сильном морозе, то морозу уже не надо проводить работу по разведению в стороны молекул воды, они уже разведены. Плотный морозный воздух с большим давлением лишь ускоряет кристаллизацию. А если горячую воду ещё и фрагментировать, как при разбрызгивании веером, кристаллизация происходит ещё быстрее. Эффект Мпембы мы можем видеть в сильно морозный день на улице. Выдыхаемый человеком пар из носа и рта имеет температуру 35-36 градусов тепла. Тёплый пар, попадая на усы, бороды, брови, волоски шерсти наших шапок, воротников, быстро кристаллизуется, превращается в лёд. При температуре минус 50-60 градусов Цельсия наблюдается очень красивое явление: пар изо рта мгновенно превращается в льдинки, и их столкновение меж собой вызывает негромкое шуршание. Это явление называется «шепот звёзд».

   Повторю, явление кристаллизации горячей воды на сильном морозе – явление не столько термодинамическое, сколько квантовое. Как любая кристаллизация вещества! Но кристаллизовать жидкий гелий, даже при температуре абсолютного нуля (- 273), невозможно. Кристаллизация жидкого гелия возможна лишь под очень большим давлением (30-40 атмосфер). Атом гелия инертен, его заряд равен нулю, дипольный момент отсутствует (бозон, спин равен единице). Вот почему даже при сверхнизких температурах (при нормальном атмосферном давлении) гелий не спешит образовывать связи с соседними атомами. Этим объясняется сверхтекучесть жидкого гелия, открытая Петром Капицей в 1938 году. В таком состоянии жидкий гелий является квантовой жидкостью, могущей течь без трения. Этим атомы гелия заметно отличаются от молекул воды, фермионов (полуцелый спин), имеющих дипольность (некоторую полярность зарядов). Так что, оказавшись в среде низких температур, молекулы воды неизбежно образуют новые формы связи с соседними молекулами, что и называется кристаллизацией. А если до этого молекулы воды имели большие скорости и были удалены друг от друга (высокая температура воды), то кристаллизация идёт намного быстрей.  Эффект Мпембы – это тот случай, где скорости и энергии квантовых явлений намного превышают термодинамические скорости и энергии…