Mpembův jev. Kredit: Kyoto University /Hisao Hayakawa.

Málo se to ví, ale fyzikové nepotřebují kvantovou mechaniku ani černé díry, aby čelili nesmírně zvláštním jevům. K jedné ryzí a naprosto tajemné záhadě se dostanete, když zmrazujete různě teplou vodu. Zdá se, že si toho všiml už Aristoteles a jak známe naše zvídavé předky, určitě nebyl prvním na světě. Zní to šíleně, ale horká voda zmrzne rychleji než studená. A nikdo neví proč. Klidně si to zkuste doma.

Hisao Hayakawa. Kredit: Kyoto University.

Novodobý příběh tohohle podivuhodného jevu by vydal na román nebo spíš na hollywoodský blockbuster. V roce 1963 si tanzanský student Erasto Bartholomeo Mpemba přivydělával přípravou zmrzliny ve školní kuchyni a všiml si, že horká voda zmrzne rychleji než studená. Pak zjistil, že lstiví zmrzlináři to už dávno vědí. Mpembův učitel fyziky se mu vysmál, prohlásil to za „Mpembovu fyziku“ a společně se spolužáky novodobého Aristotela nějakou dobu šikanovali. Pak jim sklaplo.

Mpemba se nevzdal a oslovil fyzika Denise Osborna, který shodou okolností navštívil jejich školu. Osborn to vyzkoušel, šokovalo ho to a v roce 1969 to společně s Mpembou publikovali. Mpemba za svou vytrvalost vstoupil do učebnic, což je dnešní obdoba antického nanebevzetí v podobě souhvězdí.

Logo. Kredit: Kyoto University.

Pokud jde o vysvětlení Mpembova jevu, existuje celá řada hypotéz. Mpemba, který shodou okolností zemřel letos na jaře, preferoval vysvětlení založené na konvekci. Ve hře jsou ale i mikrobubliny, evaporace, mrazové jevy, roztoky, tepelná vodivost, chování rozpuštěných plynů, vodíkové vazby, krystalizace a další odborné nápady.

Hisao Hayakawa z Kyoto University a jeho spolupracovníci zkoumali Mpembův jev ve kvantovém měřítku. Vytvořili dva systémy s kvantovými tečkami, různým způsobem napojenými na tepelný rezervoár. Oba systémy byly směrovány do rovnovážného stavu o nízké teplotě, přičemž badatelé sledovali jejich evoluci a řadu parametrů, včetně toho nejdůležitějšího, teploty.

Povedlo se. Teplejší systém vychladl rychleji. Mpembův jev funguje i v říši kvant. Jak říkají autoři studie, prokázali existenci této podivnosti na druhou, čili „termálního kvantového Mpembova jevu“ za rozmanitých podmínek, včetně různě nastavených teplot. Hayakawa s kolegy teď budou hledat možné praktické využití tohoto jevu, který se vysmívá „selskému rozumu.“

Video: Science At Home - The Mpemba Effect

Video: Mpemba Effect Tutorial (it’s EPIC!!!)

Literatura

Kyoto University 31. 8. 2023.

Physical Review Letters 131: 080402.