Эффект Мпембы: удивительный способ разогреть некоторые вещи быстрее

Эффект Мпембы (или парадокс Мпембы) заключается в том, что предварительный нагрев некоторых материалов может привести к их последующему быстрейшему охлаждению.

В 1963 году 13-летний Эрасто Бартоломео Мпемба из Танзании столкнулся со странным явлением. Он замораживал горячую смесь мороженого в классе кулинарии и заметил, что она замерзла быстрее, чем холодная смесь. Ему стало любопытно почему так происходит.

Несколько лет спустя доктор Денис Осборн из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе выступил с лекцией в старшей школе Мпембы. После лекции Мпемба спросил Осборна, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

После первоначального недоверия Осборн все таки провел эксперимент. Он был потрясен, увидев, что молодой Мпемба был прав: вода 100 °C может замерзнуть быстрее, чем вода 35 °C.

Изображение: Spark Tech CC BY-SA 4.0

Они опубликовали результаты вместе, и эффект Мпембы (или парадокс Мпембы) стал известен как один из самых странных явлений в современной физике.

Это странное явление, зависящее от некоторых параметров. Другими словами, утверждение, что «горячая вода замерзает быстрее, чем холодная» — неточно. Скорее, есть некоторые пары температур, при которых при прочих равных условиях горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная.

Несколько опубликованных работ повторили результаты и попытались объяснить теоретическую причину, по которой это происходит. В 2017 году две исследовательские группы (1, 2) независимо и одновременно нашли теоретические доказательства эффекта Мпембы, а также предсказали новый «обратный» эффект Мпембы, при котором некоторые материалы могут нагреваться быстрее, если их сначала охладить. Новое исследование добавляет больше веса их теории.

Физики Амит Гал и Орен Раз из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, изучали теоретическую систему, называемую моделью Изинга — математической моделью магнетизма (точнее, ферромагнетизма) в статистической механике.

Модель Изинга включает двумерную сетку атомов с магнитными полюсами, которые указывают вверх или вниз. В их теоретическом исследовании эта версия 2D сетки имела соседние атомы с тенденцией указывать своими полюсами в противоположных направлениях. Исследователи утверждают, что именно при таких параметрах нагрев может происходить быстрее после фазы предварительного охлаждения.

«Перспективы потрясающие», — говорит физик Адольфо дель Кампо из Международного физического центра Доностия в Испании.

Хотя это вряд ли повлияет на нашу повседневную жизнь, однако может позволить ученым ускорить нагрев в некоторых квантовых установках и обойти некоторые ограничения стандартных физических машин.

Чтобы эффект имел место, это конкретное магнитное свойство должно быть достигнуто, иначе не будет никакой разницы между предварительно охлажденным и подогретым веществом.

Однако исследователи подозревают, что подобный эффект может произойти и в других сценариях. Далее они обратят свое внимание на реальные материалы, такие как магнитные сплавы.

Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.060602