В 1963 году танзанийский школьник поспорил с законами термодинамики — и, как ни странно, отчасти оказался прав. Эрасто Мпемба заметил, что горячая смесь для мороженого застывает в морозилке быстрее, чем такая же смесь, предварительно остывшая до комнатной температуры. Шесть десятилетий спустя этот парадокс так и не получил однозначного ответа: одни физики считают его почти полностью развенчанным, другие — лишь недавно доказанным по-настоящему, но совсем не о воде. Разберёмся, как устроена эта запутанная история и что современная наука знает о ней на самом деле.
История открытия: мороженое танзанийского школьника
В школе Магамба в Танзании ученики на уроках домоводства готовили мороженое: кипятили смесь молока и сахара, охлаждали до комнатной температуры и только потом ставили в морозильную камеру. Эрасто Мпемба, опасаясь, что одноклассник займёт всю морозилку, поставил туда свою ещё горячую смесь — и, к своему удивлению, она замёрзла быстрее, чем смесь товарища, честно дождавшегося остывания. Одноклассники и учитель подняли его на смех, но, когда в школу с визитом приехал физик Денис Осборн из университетского колледжа Дар-эс-Салама, Мпемба всё же задал ему свой вопрос. Осборн не отмахнулся, а вместе с учеником провёл серию лабораторных экспериментов, подтвердивших эффект, и в 1969 году они опубликовали совместную статью «Cool?» в журнале Physics Education — так феномен получил имя «эффект Мпембы».
Открытие оказалось не первым: от Аристотеля до Бэкона
Показательная деталь, которую редко упоминают: похожие наблюдения встречаются в текстах гораздо более ранних мыслителей — Аристотеля, Роджера Бэкона, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта, каждый из которых в своё время отмечал, что тёплая вода на морозе застывает быстрее холодной. Заслуга Мпембы и Осборна не в том, что они первыми заметили этот парадокс, а в том, что превратили случайное наблюдение школьника в предмет систематического научного исследования.
Какие механизмы предлагали учёные
| Гипотеза | Суть объяснения |
|---|---|
| Испарение | Горячая вода теряет часть массы на испарение, и замерзать нужно уже меньшему объёму жидкости |
| Конвекция | Разница температур создаёт в горячей воде более активные потоки, ускоряющие теплоотдачу |
| Растворённые газы | При нагревании вода теряет часть растворённого воздуха, что может менять её физические свойства при замерзании |
| Переохлаждение | Холодная вода легче переохлаждается, оставаясь жидкой ниже нуля дольше, чем начинает замерзать горячая |
| Иней и теплоизоляция | Иней, образующийся под сосудом с холодной водой, может ухудшать её контакт с холодной поверхностью и замедлять охлаждение |
Ни одна из этих гипотез по отдельности не объясняет эффект во всех случаях, когда его якобы наблюдали, — вероятно, потому что в разных экспериментах на первый план выходили разные факторы одновременно.
Главный удар по эффекту: исследование 2016 года
В 2016 году физик Генри Берридж из Имперского колледжа Лондона и математик Пол Линден из Кембриджского университета опубликовали в журнале Scientific Reports статью с говорящим названием «Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold». Они показали, что результат сильно зависит от того, где именно в сосуде расположен термометр: смещение датчика всего на сантиметр могло создавать видимость эффекта там, где его на самом деле не было. Проанализировав всю доступную научную литературу, Берридж и Линден пришли к выводу, что только в оригинальном эксперименте Мпембы и Осборна разница была слишком велика, чтобы её можно было списать на подобную ошибку измерения, — во всех остальных работах эффект укладывался в погрешность.
Неожиданный поворот: эффект оказался реальным — но не о воде
Точку в споре, как ни парадоксально, поставило исследование, вообще не связанное с замерзанием воды в бытовом смысле. В 2020 году физики Авинаш Кумар и Джон Бехёфер из Университета Саймона Фрейзера опубликовали в журнале Nature статью «Exponentially faster cooling in a colloidal system», где продемонстрировали эффект Мпембы в строго контролируемых лабораторных условиях: коллоидная частица в оптической ловушке, погружённая в жидкость-теплоноситель, при определённых начальных условиях охлаждалась экспоненциально быстрее, чем при других, — и результаты оказались воспроизводимыми и количественно совпадающими с теоретическими расчётами. Авторы прямо указали: эффект Мпембы — не просто курьёз о замерзании воды, а прообраз целого класса аномальных релаксационных явлений с потенциальным практическим значением.
Эффект Мпембы сегодня: от коллоидов до квантовой физики
После работы Кумара и Бехёфера тема пережила настоящий ренессанс в теоретической физике. С начала 2020-х годов вышли десятки статей, распространивших идею эффекта Мпембы на самые разные системы: гранулированные газы, полимерные расплавы, магнитные материалы и даже отдельные квантовые системы. В 2023–2025 годах появились работы о «квантовом эффекте Мпембы» в системах одиночных захваченных ионов и квантовых точек, а в 2026 году в журнале Physics Reports вышел большой обзор «Speedups in nonequilibrium thermal relaxation: Mpemba and related effects», обобщивший это бурно растущее направление исследований. Из курьёзного школьного наблюдения эффект Мпембы фактически превратился в самостоятельную область современной статистической физики.
Так замерзает ли обычная горячая вода из-под крана быстрее холодной
Честный ответ: для бытовой ситуации — стакан горячей и стакан холодной воды в домашней морозилке — эффект не является надёжно воспроизводимым и предсказуемым результатом. Он крайне чувствителен к точным условиям: форме и материалу сосуда, наличию и количеству растворённых примесей, положению термометра, начальным объёмам жидкости и даже конкретной модели морозильной камеры. Поэтому увидеть эффект дома иногда можно, но полагаться на него как на надёжную закономерность для повседневных нужд — например, чтобы быстрее заморозить лёд, — научно необоснованно. Реальность эффекта Мпембы как общего физического принципа наука подтвердила лишь в контролируемых лабораторных системах, а не как гарантированное бытовое явление с обычной водопроводной водой.
- Термин обсуждали задолго до появления самого слова «эффект»
Наблюдения о необычном поведении нагретой воды при замерзании встречаются в текстах, которым почти две с половиной тысячи лет, — задолго до того, как это явление получило имя конкретного танзанийского школьника.
- У эффекта есть «зеркальный близнец»
В 2020 году физики экспериментально подтвердили и обратный, «инверсный» эффект Мпембы — ситуацию, при которой более холодная система может нагреваться экспоненциально быстрее более тёплой при определённых условиях.
- Royal Society of Chemistry устраивало конкурс объяснений
В 2012 году британское Королевское химическое общество организовало открытый конкурс на лучшее научное объяснение эффекта Мпембы, получив тысячи заявок со всего мира, — свидетельство того, насколько живым остаётся интерес к этой загадке даже спустя десятилетия.
Главное об эффекте Мпембы
Эффект Мпембы — названный в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году заметил, что горячая смесь для мороженого замерзает в морозилке быстрее холодной, — прошёл долгий путь от школьного курьёза до серьёзной темы теоретической физики. Проверка 2016 года показала, что в бытовых условиях с обычной водой эффект крайне чувствителен к погрешностям измерения и ненадёжен как повседневная закономерность. Но в 2020 году физики строго экспериментально подтвердили сам принцип в контролируемой лабораторной системе — коллоидной частице в оптической ловушке, — открыв дорогу целому новому направлению исследований, включая недавние работы о квантовом эффекте Мпембы. Так что эффект Мпембы реален — просто не как гарантированный фокус с обычной водой из-под крана, а как фундаментальный принцип неравновесной термодинамики.
Источники: Mpemba E. B., Osborne D. G., «Cool?», Physics Education, 4, 172 (1969); Burridge H. C., Linden P. F., «Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold», Scientific Reports, 6, 37665 (2016); Kumar A., Bechhoefer J., «Exponentially faster cooling in a colloidal system», Nature, 584, 64–68 (2020); Bechhoefer J., Kumar A., Chétrite R., «A fresh understanding of the Mpemba effect», Nature Reviews Physics, 3, 534 (2021).
