可能な限り最も簡単な実験の 1 つに思えます:水を 2 カップ、1 つは熱く、もう 1 つは冷やしてください。両方を冷凍庫に入れ、どちらが先に凍るかを記録します。常識は、冷たい水がそうするであろうことを示唆しています。しかし、アリストテレス、ルネ・デカルト、サー・フランシス・ベーコンなどの著名人は皆、お湯は実際にはもっと早く冷える可能性があることを観察しています.同様に、配管工は、氷点下の天候で温水パイプが破裂し、冷たいパイプは無傷であると報告しています。しかし、半世紀以上にわたり、物理学者たちは、このようなことが本当に起こるかどうかについて議論してきました.
温水が冷水よりも速く凍結することを表す現代の用語はムペンバ効果であり、1960 年代に物理学者のデニス オズボーンと共に最初の体系的で科学的な研究を行ったタンザニアの 10 代のエラスト ムペンバにちなんで名付けられました。彼らはその効果を観察することができましたが、追跡実験ではその結果を一貫して再現することができませんでした.凍結を調査するための精密実験は、多くの微妙な詳細の影響を受ける可能性があり、研究者は、すべての交絡変数を説明したかどうかを判断するのに苦労することがよくあります.
過去数年間、ムペンバ効果が水中で発生するかどうかについての論争が続いているため、この現象は、結晶性ポリマー、包接水和物と呼ばれる氷のような固体、磁場で冷却するマンガナイト鉱物など、他の物質でも発見されています。これらの新しい方向性は、研究者が熱力学的平衡から外れているシステムの複雑なダイナミクスを調べるのに役立ちます。非平衡系をモデル化する物理学者の派遣団は、Mpemba 効果が多種多様な材料で発生するはずであると予測しました (冷たい物質が暖かい物質よりも速く熱くなるという逆現象とともに)。最近の実験では、これらの考えが確認されているようです。
しかし、最も身近な物質である水は、最も滑りやすいことが証明されています.
カナダのサイモン フレイザー大学の物理学者である John Bechhoefer 氏は次のように述べています。彼の最近の実験は、これまでで最も確実なムペンバ効果の観察結果です。 「しかし、一度考え始めると、実際にはそれほど単純ではありません。」
「そんなことありえない」
「私の名前はErasto B. Mpembaです。冷蔵庫の誤用による私の発見についてお話します。」 1969 年のジャーナル Physics Education の論文はこのように始まります Mpemba は、タンザニアのマガンバ中等学校でクラスメートと一緒にアイスクリームを作っていたときの出来事について説明しています。
生徒たちの冷蔵庫のスペースは限られていました。ムペンバは、最後の製氷皿を急いで手に入れようと急いで、他の生徒たちと同じように、煮た牛乳と砂糖の調合物が室温に冷めるのを待つことにしました。 1時間半後、彼の混合物は凍ってアイスクリームになりましたが、より忍耐強いクラスメートの混合物は濃厚な液体のスラリーのままでした. Mpemba が物理の先生にこのようなことが起こった理由を尋ねたところ、次のように言われました。そんなことはあり得ません。」
その後、オズボーンはムペンバの高校の物理の授業を訪れた。彼は、10 代の若者が手を挙げて尋ねたのを思い出しました。最初にフリーズします。どうして？"興味をそそられたオズボーンは、ムペンバをダルエスサラームのユニバーシティ カレッジに招待し、そこで技術者と協力して、ムペンバの名前を冠した効果の証拠を見つけました。それでも、オズボーンは、テストは大雑把であり、何が起こっているのかを理解するには、より洗練された実験が必要であると結論付けました.
何十年にもわたって、科学者たちはムペンバ効果を説明するためにさまざまな理論的説明を提供してきました。水は奇妙な物質であり、液体よりも固体の方が密度が低く、同じ温度で固相と液相が共存できます。水を加熱すると、サンプル内の水分子間の弱い極性水素結合の緩いネットワークが破壊され、その無秩序が増加し、サンプルを冷却するために必要なエネルギー量が低下する可能性があると示唆する人もいます。より平凡な説明は、温水は冷水よりも速く蒸発し、その体積が減少し、凍結するのにかかる時間が短くなるというものです.冷たい水には、凝固点を下げる溶存ガスが多く含まれている可能性もあります。または、外的要因が影響している可能性があります。冷凍庫内の霜の層は断熱材として機能し、冷たいカップから熱が漏れるのを防ぎますが、熱いカップは霜を溶かし、より速く冷却します.
これらの説明はすべて、その効果が本物であることを前提としています。つまり、お湯は冷水よりも早く凍るということです。しかし、誰もが納得しているわけではありません.
2016 年に、インペリアル カレッジ ロンドンの物理学者ヘンリー バリッジとケンブリッジ大学の数学者ポール リンデンは、測定の詳細に対して効果がいかに敏感であるかを示す実験を行いました。彼らは、お湯は最初に氷の結晶を形成するかもしれないが、完全に凍るまでには時間がかかると推測した.これらの事象はどちらも測定が難しいため、代わりにバリッジとリンデンは、水が摂氏 0 度に達するまでにかかった時間を記録しました。彼らは、測定値が温度計を置いた場所に依存することを発見しました。同じ高さで熱いカップと冷たいカップの温度を比較すると、ムペンバ効果は現れませんでした。しかし、測定値が 1 センチでもずれていれば、ムペンバ効果の誤った証拠が得られる可能性があります。文献を調査した Burridge と Linden は、古典的な研究で Mpemba と Osborne だけが、この種の測定誤差に帰するにはあまりにも顕著な Mpemba 効果を見たことを発見しました.
この調査結果は、「凍結プロセスを含めなくても、これらの実験がいかに敏感であるかを強調しています」と Burridge 氏は述べています。
変なショートカット
それでも、かなりの数の研究者が、少なくとも特定の条件下では、ムペンバ効果が発生する可能性があると考えています。結局のところ、アリストテレスは紀元前 4 世紀に、「多くの人は、水をすばやく冷やしたいときは、太陽の下に置くことから始める」と書いています。学齢期の Mpemba も同様に、自分の冷凍アイスクリームとクラスメートのスラリとの微妙な違いを観察することができました。それでも、Burridge と Linden の調査結果は、Mpemba 効果が実際にあるかどうかにかかわらず、突き止めるのが非常に難しい主な理由を浮き彫りにしています。水が平衡状態にないため、急速に冷却される水がカップ全体で温度が変化し、物理学者はそれについてほとんど理解していません。不均衡なシステム。
平衡状態では、ボトル内の液体は、温度、体積、分子数の 3 つのパラメーターを持つ方程式で表すことができます。そのボトルを冷凍庫に押し込むと、すべての賭けがオフになります.外側の端にある粒子は氷の環境に突入し、より深い部分は暖かいままです。温度や圧力などのラベルはもはや明確に定義されておらず、常に変動しています。
ノースカロライナ大学の Zhiyue Lu は、中学生のときにムペンバ効果について読んだとき、母親が働いていた中国山東省の石油精製所に忍び込み、精密実験装置を使ってサンプルの温度を時間の関数として測定しました。の水 (彼は、水を凍らせることなく水を過冷却することになりました)。その後、大学院生として非平衡熱力学を研究しながら、ムペンバ効果へのアプローチを再構成しようとしました。 「次のことを禁止する熱力学的規則はありますか?最終平衡から遠く離れて開始するものは、近くから開始するものよりも速く平衡に近づきますか?」彼は尋ねました。
Lu は、現在イスラエルのワイツマン科学研究所で非平衡統計力学を研究している Oren Raz と出会い、水中だけでなく Mpemba 効果を一般的に調査するためのフレームワークの開発を開始しました。 Proceedings of the National Academy of Sciences に掲載された 2017 年の論文 は、粒子のランダムなダイナミクスをモデル化し、原則として、ムペンバ効果とその逆が発生する可能性のある非平衡条件が存在することを示しています。抽象的な調査結果は、より熱いシステムのコンポーネントは、より多くのエネルギーを持っているため、より多くの可能な構成を探索できるため、一種のバイパスとして機能する状態を発見し、両方が低下したときに熱いシステムが冷たいシステムを追い越すことを可能にすることを示唆しましたより冷たい最終状態に向かって。
「私たちは皆、温度が単調に変化するべきだという素朴なイメージを持っています」と Raz 氏は言います。 「高温から始めて、中温、低温へ。」しかし、何かが平衡から外れてしまった場合、「システムに温度があると言うのは実際には正しくありません」、「そのため、奇妙な近道ができる可能性があります」。
示唆に富んだ研究は、砂や種子などの液体のように流れることができる硬い粒子の集まりである、粒状流体として知られるもののシミュレーションを開始したスペインのグループを含む他の人々の関心を集め、これらもまた持つことができることを示しましたムペンバのような効果。バージニア大学の統計物理学者マリヤ・ヴセリャは、この現象がどれほど一般的なものなのか疑問に思い始めました。 「これは干し草の山の中の針のようなものですか、それとも最適な加熱または冷却プロトコルに役立つでしょうか?」彼女は尋ねた。 2019 年の研究で、彼女、ラズ、および 2 人の共著者は、ムペンバ効果がガラスなどの無秩序な物質のかなりの部分に現れる可能性があることを発見しました。水はそのようなシステムではありませんが、調査結果は可能な物質の膨大な種類を網羅しています.
これらの理論的な直感に現実世界の根拠があるかどうかを調査するために、Raz と Lu は実験家の Bechhoefer に連絡を取りました。 「文字通り、彼らは話の後に私をつかんで、『ねえ、あなたに聞いてもらいたいことがあります』と言いました」と Bechhoefer は回想します。
ランドスケープの探索
Bechhoefer と彼の共同研究者である Avinash Kumar が思いついた実験装置は、さまざまな力の影響下にある粒子の集まりを非常に概念的に簡素化したものです。粒子を表す微細なガラス ビーズは、レーザーを使用して作成された W 型の「エネルギー ランドスケープ」に配置されます。この景観の 2 つの谷のうち、深い方が安定した休憩所です。浅い谷は「準安定」状態です。粒子はそこに落ちる可能性がありますが、最終的にはより深い井戸にぶつかる可能性があります。科学者たちはこの風景を水中に沈め、光ピンセットを使ってその中にガラス玉を 1,000 回配置しました。全体として、試行は 1,000 個の粒子を含むシステムに相当します。
当初の「ホット」システムは、ガラス玉をどこにでも配置できるシステムでした。よりホットなシステムはより多くのエネルギーを持ち、したがってより多くの景観を探索できるからです。 「ウォーム」システムでは、開始位置は谷に近い小さな領域に限定されていました。冷却プロセス中、ガラスビーズは最初に2つのウェルの1つに落ち着き、その後、水の分子にぶつかりながら、2つのウェルの間を行ったり来たりする時間が長くなりました.冷却は、ガラス ビーズが各ウェルで特定の時間を費やすように安定したときに完了したと見なされました。 (これらの比率は、水の初期温度と谷のサイズによって異なります。)
特定の初期条件では、ホット システムはウォーム システムよりも最終的な構成に落ち着くまでに時間がかかり、私たちの直感と一致しました。しかし、ホットシステムの粒子がより早くウェルに沈降することがあります。実験パラメーターが適切に調整されると、高温系の粒子はほぼ即座に最終的な配置を見つけ、高温系より指数関数的に速く冷却されました。これは、Raz、Vucelja および同僚が予測し、強力な Mpemba 効果と名付けた状況です。彼らは結果を 2020 Nature で報告しました。 PNAS における逆 Mpemba 効果を示す同様の実験を論文および発表しました。
「結果は明らかです。 「彼らは、ターゲットから遠く離れたシステムが、ターゲットに近い別のシステムよりも速くこのターゲットに到達できることを示しています。」
しかし、Mpemba 効果が何らかのシステムで実証されていることを誰もが完全に納得しているわけではありません。 「私はいつもこれらの実験を読んでいますが、記事には感銘を受けませんでした」とバリッジは言いました. 「私は明確な物理的説明を見つけることができず、Mpemba のような効果が有意義な方法で存在するかどうかについて、興味深い疑問が残ると感じています。」
Bechhoefer の試験は、ムペンバ効果が準安定状態の系でどのように発生するかについての洞察を提供しているように見えますが、それが唯一のメカニズムなのか、特定の物質がどのようにしてそのような平衡から外れた加熱または冷却を受けるのかは不明です.
現象が水中で発生するかどうかを判断することは、別の未解決の問題のままです. 4 月、Raz と彼の大学院生である Roi Holtzman は、Mpemba 効果が、Raz が以前に説明した、2 次相転移を起こす系で Lu と関連するメカニズムを通じて発生する可能性があることを示す論文を投稿しました。同じ温度では共存できません。水はそのような系ではありません (一次相転移があります) が、Bechhoefer はこの研究を水の答えに徐々に近づいていると説明しました.
少なくとも、ムペンバ効果に関する理論的および実験的研究は、物理学者に、他の方法では欠けている非平衡系への手がかりを与え始めています。 「平衡への緩和は重要な問題であり、率直に言って、適切な理論がありません」と Raz 氏は述べています。どのシステムが奇妙で直感に反する方法で動作する可能性があるかを特定することで、「システムがどのように平衡に向けて緩和するかをよりよく理解できるようになるでしょう」
10 代の尋問で何十年にもわたる論争に火をつけた後、Mpemba 自身は野生生物管理の研究を続け、引退する前にタンザニアの天然資源観光省で主要なゲーム オフィサーになりました。デニス・オズボーンの未亡人であるクリスティン・オズボーンによると、ムペンバは2020年頃に亡くなった。科学は、彼の名前を冠した効果についての彼の主張から生まれ続けている.オズボーンは、彼らの調査結果を一緒に議論し、男子生徒の直感に反する主張が直面した最初の懐疑論と却下から教訓を得ました:「それは権威主義的な物理学の危険性を示しています。」
