Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Через несколько столетий натурфилософ Фрэнсис Бэкон в книге «Новый органон» 1620 г. утверждал, что «слегка нагретая вода легче замерзает, чем вода холодная». В 1637 г. Рене Декарт, который, говорят, тоже бросал кошек, опубликовал приложение «Метеоры» к своей знаменитой книге «Рассуждение о методе», где заметил: «Мы также можем убедиться путем эксперимента, что вода, которую долгое время держали горячей, замерзает быстрее, чем любая другая» {8} .

После наблюдения Мпембы, связанного с изготовлением мороженого, проводилось немало повторных экспериментов, одни из которых дали какой-то результат, другие не дали никакого. Огромная сложность в ответе на вопрос «Существует ли эффект Мпембы?» состоит в том, что гипотез высказано множество да и эффектов, влияющих на замерзание воды, тоже может быть немало, как в случае с падающей кошкой.

Приведем некоторые гипотезы, выдвинутые для объяснения эффекта Мпембы {9} .

• Конвективный перенос тепла . Когда жидкость нагревают, в ней могут образовываться конвективные течения, которые быстро выносят горячую жидкость к поверхности, где тепло теряется при испарении. Осборн отметил, что конвекция должна удерживать верхний слой жидкости более горячим, чем нижний, даже когда температура падает так, чтобы соответствовать температуре первоначально холодной жидкости, которая не охлаждается конвекцией. Падение температуры приводит к большей скорости остывания, что могло бы объяснить наблюдение Мпембы.

• Испарение . Кипяток или очень горячая вода всегда теряет часть своей массы на испарение. При более низкой массе она остывает быстрее, подстегивая, возможно, эффект Мпембы. Осборн уже отмечал, однако, что одним только испарением невозможно объяснить скорость остывания горячей жидкости.

• Дегазация . В 1988 г. группа польских исследователей успешно пронаблюдала эффект Мпембы и отметила, что эффект этот сильно зависит от количества растворенного в воде газа. Если воду очистить от воздуха и двуокиси углерода, то время ее замерзания становится пропорционально начальной температуре. Исследователи предположили, что присутствие газа значительно замедляет скорость остывания. Возможно, нагретая вода, поскольку она очищена от газа, остывает быстрее {10} .

• Переохлаждение . В 1995 г. немецкий ученый Давид Ауэрбах высказал предположение, что эффект Мпембы можно объяснить «переохлаждением», и провел эксперименты по проверке этой гипотезы. Когда жидкость остается жидкостью при температуре ниже нормальной точки замерзания, — а это происходит только в случае, если очень чистую жидкость держат совершенно неподвижно, — такую жидкость называют переохлажденной. Ауэрбах предположил, что холодная вода переохладится до более низкой температуры, чем горячая, давая таким образом горячей воде преимущество. В серии экспериментов около 2010 г. Джеймс Браунридж из Нью-Йоркского университета в Бинхэмптоне проверил гипотезу переохлаждения и успешно наблюдал эффект Мпембы в 28 из 28 попыток {11} .

• Перераспределение растворенных веществ . В 2009 г. Дж. И. Кац из Вашингтонского университета предположил, что растворенные вещества, присутствующие в холодной воде, могут замедлить процесс замерзания, как отмечалось и ранее, по отношению к газам, но также что эти растворенные вещества удаляются из замерзающей воды в еще не замерзшую, дополнительно замедляя процесс остывания {12} .

Есть и другие статьи, и другие объяснения. Из-за разнообразия возможностей выделить эффект Мпембы (или даже, во многих случаях, надежно воспроизвести его) трудно. Если эффект Мпембы, как переворачивание кошки, определяется не одним, а несколькими различными механизмами, разработка контролируемого эксперимента, позволяющего проверить только один механизм, скорее всего, результата не даст. Еще одна трудность — сложность строгого определения термина замерзание . Должна ли жидкость замерзнуть до твердого состояния, чтобы считаться замерзшей в эксперименте Мпембы, или достаточно появления первых льдинок?

Все эти вопросы могли бы потерять актуальность после того, как ученые Кембриджского университета и Имперского колледжа в Лондоне с сожалением констатировали в 2016 г., после экспериментального исследования, что вообще не смогли увидеть никаких признаков эффекта Мпембы. Но — и такой поворот достоин этого странного явления с драматической историей — в 2017 г. две группы исследователей независимо продемонстрировали, теоретически , что в термодинамических системах может наблюдаться этот эффект. Вполне возможно, что их работы поддержат давний спор, чтобы его исследованием могло заняться и следующее поколение ученых {13} .