Trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học tinh ý từ Aristotle đến Descartes đã nuôi dưỡng một mối nghi ngờ rằng — trái ngược với mọi sự hiểu biết thông thường — bằng cách nào đó, nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Nhưng không có sự đồng thuận khoa học nào rằng phỏng đoán này thực sự đúng.
Năm 1963, một sinh viên vật lý người Tanzania tên là Erasto B. Mpemba (phát âm là empem -ba ) đã nhen nhóm ý tưởng này thông qua một sự cố tình cờ xảy ra khi anh ấy đang làm kem ở trường của mình. Ông dường như chứng minh điều mà Aristotle và Descartes đã nghi ngờ: Nước nóng đạt đến điểm đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Ông đã viết về những quan sát của mình trong một bài báo năm 1969 , có tiêu đề đơn giản là "Tuyệt?" đã tạo ra thuật ngữ "hiệu ứng Mpemba." Nhưng liệu Erasto Mpemba có đúng không? Nước nóng có thực sự đóng băng nhanh hơn nước lạnh?

Hiệu ứng Mpemba là gì?
Hiệu ứng Mpemba là một khái niệm vật lý giả định rằng khi nước nóng và nước lạnh được đặt trong cùng một môi trường đóng băng, nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh.
Erasto Mpemba lưu ý rằng khi lớp học của anh ấy đang làm kem, anh ấy đã đặt hỗn hợp đường và sữa (phần lớn là nước) gần sôi vào tủ đông và nó đông cứng trước các hỗn hợp khác đã được làm lạnh đến nhiệt độ phòng trước khi đóng băng.
Phép ngoại suy của Mpemba từ quan sát này là khi các thể tích nước giống hệt nhau — một ở 212 độ F (100 độ C) và một ở 95 độ F (35 độ C ) — được đặt trong các cốc giống hệt nhau và đặt trong tủ đông, 212 độ nước sẽ biến thành băng nhanh hơn. Khả năng quan sát kem của Mpemba và quan điểm về nước đã liên kết ông với các nhà khoa học trong nhiều thế kỷ, những người cũng đã nghi ngờ tính chất bất thường này của nước.
Tìm hiểu quá trình cấp đông
Khi nước đóng băng thành băng, nó trải qua một sự thay đổi pha; nó biến từ thể lỏng thành thể rắn. Theo truyền thống, các nhà vật lý tuyên bố pha của một chất khi nó ở trạng thái cân bằng . Điều này có nghĩa là chất này ở trạng thái ổn định và một lượng năng lượng đáng kể không truyền từ vùng này sang vùng khác. Nó cũng có nghĩa là khối lượng và nhiệt độ của nó vẫn ổn định. Khi một chất không ở trạng thái cân bằng, các mức năng lượng của nó dao động, và trạng thái vật chất của nó (có khả năng) cũng vậy.
Để nước đóng băng và giữ trạng thái đóng băng, các hạt nước riêng lẻ phải đạt đến trạng thái cân bằng. Nếu quá nhiều năng lượng tràn qua nước không cân bằng, nó sẽ dao động giữa chất rắn và chất lỏng (ở nhiệt độ thấp) hoặc chất lỏng và chất khí (ở nhiệt độ cao hơn). Các hạt nước đạt trạng thái cân bằng ở mức năng lượng thấp càng sớm thì chúng có thể đóng băng càng sớm.

Làm thế nào nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh?
Các nhà vật lý vẫn đang tranh luận liệu nước nóng có luôn đóng băng nhanh hơn nước lạnh hay không. Khi nó xảy ra, một số điều kiện phải được đáp ứng.
Khi một bình nước chìm trong môi trường đóng băng, các phần khác nhau của nước đạt trạng thái cân bằng vào những thời điểm khác nhau. Nước xung quanh thành bình trở nên lạnh hơn nhanh hơn, có nghĩa là nó có thể đóng băng trong khi nước ở giữa bình ở thể lỏng. Và khi bạn đặc biệt đặt một bình chứa nước nóng trong tủ đông (như nước sôi 212 độ được Mpemba mô tả), nó cũng giải phóng hơi nước từ trên cùng của bình và điều này làm giảm tổng lượng nước cần đóng băng.
Hơn nữa, nước lạnh (hoặc thậm chí là nước ở nhiệt độ phòng) thường hình thành một lớp sương giá trên bề mặt của nó như là một phần của quá trình đóng băng. Trớ trêu thay, sương giá này tạm thời cách ly nước (giống như cách một lều tuyết cách nhiệt cư dân của nó khỏi không khí lạnh), điều này có thể làm chậm quá trình đóng băng tổng thể. Nước nóng, ít nhất là trong giai đoạn đầu, ngăn chặn sự hình thành băng giá, cho phép không khí lạnh xâm nhập sâu hơn vào bình.
Đây là một số cách mà nước nóng có thể gây đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Nhưng hãy nhớ rằng để nước đóng băng và giữ trạng thái đóng băng, nó phải đạt được trạng thái cân bằng.
Nghiên cứu có thể chứng minh hiệu ứng Mpemba
Nếu có bằng chứng cho thấy hiệu ứng Mpemba là có thật và nhất quán, thì đó là bằng chứng từ một nghiên cứu năm 2020 của John Bechhoefer và Avinash Kumar. Được công bố trên tạp chí Nature , nghiên cứu đã đưa các hạt thủy tinh cực nhỏ vào cái mà họ gọi là "cảnh quan năng lượng" được điều khiển bởi tia laser. Các nhà nghiên cứu đã nung nóng các hạt ở các nhiệt độ khác nhau. Sau đó, họ quan sát hạt nào đầu tiên đạt đến trạng thái cân bằng trong cảnh quan năng lượng đó.
Bechhoefer và Kumar đã quan sát thấy rằng các hạt siêu nhỏ bắt đầu ở nhiệt độ cao đạt đến trạng thái cân bằng nhanh hơn so với những hạt bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn. Điều đó đủ thú vị, nhưng làm thế nào để đạt được trạng thái cân bằng liên quan đến đóng băng?
Mối liên hệ này xuất phát từ công trình trước đó được thực hiện bởi Zhiyue Lu thuộc Đại học Bắc Carolina và Oren Raz thuộc Viện Khoa học Weizmann ở Israel. Bài báo của họ, " Nhiệt động lực học không cân bằng của hiệu ứng Markovian Mpemba và nghịch đảo của nó ," được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) và được mô tả bởi Tạp chí Quanta , giả định rằng các hệ vật chất nóng hơn có thể bỏ qua quá trình đạt đến trạng thái cân bằng, do đó đạt đến trạng thái ổn định nhanh hơn hệ thống lạnh hơn.
Nếu thư giãn hướng tới trạng thái cân bằng là một tiêu chuẩn quan trọng trong quá trình đóng băng của nước, thì công trình kết hợp của Bechhoefer và Kumar cùng với Lu và Raz có thể chứng minh sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba.

Hiệu ứng Mpemba có phải là một sự thật khoa học đã được chứng minh?
Hiệu ứng Mpemba không được chấp nhận một cách thống nhất như một hiện tượng khoa học đã được chứng minh. Tuy nhiên, hàng thế kỷ quan sát, cộng với công trình gần đây của Bechhoefer, Kumar, Lu và Raz đã thuyết phục nhiều nhà vật lý rằng trong những trường hợp thích hợp, nước nóng thực sự có thể đạt đến điểm đóng băng nhanh hơn nước lạnh.
Một số nhà khoa học, như Harry Burridge và Paul Linden, vẫn hoài nghi. Họ thừa nhận rằng mặc dù một số bình nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn các bình nước lạnh có kích thước tương đương, nhưng ngay cả sự thay đổi nhỏ nhất trong điều kiện cũng sẽ xóa bỏ hiệu ứng. Nghiên cứu riêng của Burridge và Linden năm 2016, " Đặt câu hỏi về hiệu ứng Mpemba: nước nóng không nguội nhanh hơn nước lạnh ", đã phát hiện ra rằng bất kỳ bằng chứng nào về hiệu ứng Mpemba đều phụ thuộc vào kích thước của bình chứa nước và vị trí đặt nhiệt kế. Trong một nghiên cứu riêng biệt, nhà nghiên cứu James Brownridge đã phát hiện ra rằng các tạp chất trong bình nước (chẳng hạn như tạp chất trong hỗn hợp kem của Mpemba) sẽ làm thay đổi điểm đóng băng của chất lỏng.. Mặc dù thừa nhận rằng có những lúc nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh, nhưng các nhà khoa học này cho rằng hiện tượng này không áp dụng thống nhất trong tự nhiên.
Tuy nhiên, các nhà vật lý khác, như Raúl Rica Alarcón thuộc Đại học Granada của Tây Ban Nha, tin rằng những bộ dữ liệu mới này, chẳng hạn như những bộ do Bechhoefer và Kumar cung cấp, là rất quan trọng. "Quan điểm của tôi là hiệu ứng Mpemba có thể xảy ra trong một số trường hợp đặc biệt," Rica Alarcón nói, "nhưng chúng tôi vẫn đang cố gắng tìm ra những điều kiện tối thiểu để điều này xảy ra."
Hiệu ứng Mpemba trong bối cảnh
Rica Alarcón lưu ý rằng việc quan sát Hiệu ứng Mpemba luôn liên quan đến sự khác biệt lớn về nhiệt độ giữa một bình chứa nước và môi trường xung quanh nó. Và, ông nói thêm, bạn có thể quan sát những hiện tượng hấp dẫn không kém khi đảo ngược nhiệt độ và đặt đá đông lạnh vào một môi trường nóng.
Hiệu ứng Mpemba, Rica Alarcón nói, "dường như là một trong một nhóm lớn các hiệu ứng nhiệt hóa dị thường, diễn ra khi một hệ thống đột ngột tiếp xúc với bể nhiệt ở nhiệt độ khác." Hiệu ứng Mpemba mô tả sự thay đổi pha từ nóng sang lạnh giống như "khi bạn lấy một cốc nóng và đặt nó vào tủ lạnh hoặc tủ đá." Nhưng sự thay đổi pha từ lạnh sang nóng cũng dẫn đến những kết quả bất thường. Rica Alarcón nói: “Các hiệu ứng thú vị xảy ra khi bạn thực hiện giảm nhiệt độ từ lạnh sang nóng, giống như khi bạn cho một viên đá vào nước sôi.”
Chúng ta biết rằng nhiều thế hệ các nhà khoa học đã quan sát thấy nước nóng đóng băng với tốc độ đáng kinh ngạc. Rica Alarcón kêu gọi chúng ta xem xét quá trình này một cách toàn diện hơn và nghĩ về Hiệu ứng Mpemba như một phần của hiện tượng rộng lớn hơn. Ông giải thích: "Quá trình nhiệt hóa có thể đi theo những con đường phản trực giác do thực tế là các quá trình diễn ra ngoài trạng thái cân bằng."

Giờ Lạnh Lùng
Cũng giống như nước ngọt, nước biển có thể đóng băng — nó chỉ đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn. Nước biển đóng băng ở nhiệt độ khoảng 28,4 độ F (âm 2 độ C) vì hàm lượng muối trong đó, trong khi nước ngọt đóng băng ở nhiệt độ 32 độ F (0 độ C).