Erasto B. Mpemba tanzániai diák, osztálytársaival együtt 1963-ban fagylaltot készített egy iskolai tanóra keretében, de az alapanyagok keverése közben lemaradt a többiektől, ezért, a többi tanulótól eltérően, nem várta ki, hogy a forró tejet tartalmazó massza kihűljön, hanem melegen tette be a hűtőbe.

Mikor ellenőrizte a végeredményt, észrevette, hogy a saját adagja sokkal hamarabb megfagyott, mint azok a keverékek, amelyeket kihűtve helyeztek a hűtőszekrénybe.

A furcsa esetet jelentette a tanárának, aki nem sokat törődött a dologgal, mondván, hogy Mpembának nincs igaza, ilyen nem történhetett.

A diák azonban nem felejtette el az eseményt és tovább kereste a választ a jelenségre, rendszeres kísérleteket folytatva a különböző folyadékok hűtésével kapcsolatban. Évekkel később, a Dar Es-Salaam-i Egyetemről a középiskolájába látogató fizika professzorral, Denis Osborne-nal is beszélt az esetről, és, igaz, hogy Osborne-nak sem volt kész magyarázata a megfigyelt jelenségre, de a diákkal együtt elkezdte közelebbről is vizsgálni a kérdést. Közös tanulmányukat Cool? címmel 1969-ben publikálták a Physics Educationben, és ennek hatására a jelenség a Mpemba-paradoxonként híresült el.

Az effektust, ha korábban egyértelmű nevet nem is adtak neki, azonban már jóval korábban is ismerték a fizikával behatóbban foglalkozó tudósok és a fagylaltkészítők is, már Arisztotelész feljegyzései között is szerepelt a paradoxon leírása a jégbe léket vágó horgászokkal kapcsolatban. A Mpemba és Osborne által részletesen is leírt, a termodinamikai törvényeknek látszólag ellentmondó anomáliát sokszor próbálták magyarázni, vagy éppen cáfolni a kutatók, azóta is egyfajta titokzatos jelenségeként tartják számon, amelynek létezését időnként meg is kérdőjelezik. A kísérletet számtalanszor megismételték, 2012-ben még az Egyesült Királyság nagy presztízsű intézménye, a Royal Society of Chemistry is írt ki pályázatot a működési elvének megfejtésére, amelyet a horvát Nikola Bregović nyert meg.

Bregovićnak, mint ahogy gyakran másoknak is, nehézséget okozott a Mpemba-hatás konzisztens kimutatása a vizsgálatok során (az effektus néha megjelent, néha nem), de a legvalószínűbb magyarázatot megtalálta a fizikus, mégpedig a konvekciós áramlásokban, amelyek a hőmérséklet és sűrűség különbsége miatt alakulnak ki és a forró folyadékokban erősebb a hatásuk, ezáltal jobb hőelosztást adnak a hűlés során.

Mások a vízben található mikrobuborékokat, vagy a melegebb víz hosszabb hidrogénkötéseit tartják a jelenség forrásának, de a vitáknak a kérdést illetően még nincs vége, már csak azért sem, mert a hatás hidrogénkötésekkel és más, a vízre jellemző tulajdonságokkal nem rendelkező anyagokban, például mágneses ötvözetekben is érvényesül időnként. És létezik egy olyan aspektusa is a paradoxonnak, ami eddig csak kevés figyelmet kapott, mivel még ritkábban lehet vele találkozni a hétköznapok során, de most közelebbről is sikerült feltárni a működését: ez a fordított Mpemba-paradoxon, vagyis az a jelenség, ami szerint egy hidegebb rendszer/folyadék hamarabb felmelegedhet, mint az a társa, amelynek alaphőmérséklete magasabb volt a melegítés kezdetekor.

Az inverz Mpemba-paradoxonra ugyanaz a szabály érvényes, mint a "normál" paradoxonra, vagyis csak bizonyos feltételek mellett alakul ki, nem minden esetben, ezért a jelenséget kutató fizikusok, a Simon Fraser Egyetem professzora, John Bechhoefer és munkatársai, speciális körülmények között vizsgálták a kérdést. A megfigyelésekhez egyetlen kolloid részecskét, egy apró üveggyöngyöt használtak, amelyet optikai csipeszekkel ejtettek csapdába. Így a képlet egyszerűbbnek bizonyult, mintha a víz fázisátmeneteit mérték volna, és pontosabb adatokat kaptak a részecske viselkedéséről. Az optikai csipeszekkel lézer segítségével olyan erőteret hoztak létre, amely a gömböcskét a behatárolt körülmények között tartotta, ahol két "választása" volt: a helyi energiaminimum elérése közben a jobb oldali, vagy bal oldali üregben állapodik meg. Ezek az üregek a víz különböző fázisaival voltak analógok, az egyik a folyékony, a másik a szilárd jég állapotot reprezentálta. Mivel a jelenség gyorsan végbemegy ugyan, de nehezen megfigyelhető, a kutatóknak többezerszer kellett megismételni a kísérletet.

A megfigyelés szerint a fordított Mpemba-paradoxon, mint ahogy a Mpemba-paradoxon is, akkor jöhet létre, ha a kezdeti hőmérséklet megfelelő ahhoz, hogy a részecskék a lehető leghamarabb elérjék a helyi energiaminimumra való berendezés során az egyensúlyi helyzetet: ha az egyensúly azonnal kialakul, a rendszer időt spórol a végső állapot elérésének folyamatában.
"Tekintsünk rá úgy, mint az ugrókövekre: ha megfelelő a kezdeti energiád, az első kőről egyenesen a harmadikra ugorhatsz, anélkül, hogy érintenéd a másodikat." - írja a kísérletről beszámoló Physics Today.

"Végeredményben, még ha egy rendszer kezdetben közelebb is áll a hőmérsékleti egyensúlyhoz, nem biztos, hogy hamarabb felmelegszik, mint a rendszer, ami messzebbről indul."

- vonják le a következtetést a kutatók a tanulmányban.

A fizikusok az általuk kialakított egyszerű elrendezéssel egyértelműen bizonyították az eddig csak elméleti jelenség létezését, és újabb magyarázatot adtak a Mpemba-paradoxonra is, de elmondásuk szerint a megfigyelések hozzájárulhatnak a hasonló működési elvű fizikai jelenségek szélesebb körének megértéséhez is. A viták pedig az eredmények fényében is folytatódhatnak, elvégre az egy részecskés elrendezésnél bonyolultabb rendszerekben, mint amilyen a víz is, más faktorok is szerepet játszhatnak, amelyeket még a jövőben térképezhetnek fel alaposabban.

(Fotó: Pixabay/maraisea, Flickr/Simon Li /tcmorgan)

Lehetséges hanggal vizet forralni? A Stanfordi Egyetemen működő SLAC Nemzeti Gyorsító laboratórium kutatói olyan erős hangot hoztak létre a víz alatt, hogy az azonnal elpárologtatta a vizet, és úgy tűnik, hogy beállította azt a küszöböt is, hogy mennyire lehet intenzív a hang a vízben.