Nước ấm đóng băng nhanh hơn nước lạnh - Bí mật vật lý vẫn chưa được giải mã sau hàng thập kỷ

Các nhà khoa học vẫn chưa có quan điểm chung, khi hiệu ứng Mpemba kỳ lạ vẫn tránh né ánh mắt tò mò của các nhà nghiên cứu.

Nghe có vẻ đơn giản đến ngớ ngẩn: “Đặt hai cốc nước ấm và lạnh vào tủ lạnh, hỏi cốc nào đóng băng trước?”

Thường nghĩ rằng nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn, nhưng các triết gia như Aristotle hay René Descartes đã ghi nhận và ghi lại điều ngược lại. Trong thời đại hiện đại, các thợ sửa ống nước cũng ghi nhận các trường hợp ống nước nóng bị vỡ trong thời tiết lạnh, trong khi ống nước lạnh hoạt động bình thường.

Mặc dù họ có thể quan sát được hiện tượng, nhưng các thí nghiệm sau đó lại không thể làm cho cốc nước ấm đóng băng nhanh hơn cốc nước lạnh. Các thí nghiệm có độ chính xác cao lại bị ảnh hưởng bởi nhiều chi tiết nhỏ, làm cho các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc xác định các biến số ảnh hưởng đến kết quả.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hiệu ứng Mpemba xuất hiện trên các hợp chất khác nhau, bao gồm polymer có cấu trúc tinh thể, clathrate hydrate (một loại chất rắn giống như đá lạnh), cũng như khoáng chất manganite đang nguội trong một từ trường. Những hướng nghiên cứu mới cung cấp thêm dữ liệu về một hệ thống phức tạp, nằm ngoài phạm vi của các quy tắc cân bằng trong nhiệt động học.

Có một số nhà vật lý đã thử xây dựng các mô hình dựa trên các quy luật không phổ biến như vậy, họ dự đoán rằng hiệu ứng Mpemba sẽ xuất hiện trong nhiều loại vật liệu khác nhau; đồng thời, hiệu ứng ngược lại - nghĩa là vật liệu lạnh sẽ nóng lên nhanh hơn so với vật liệu đang ấm - cũng sẽ xảy ra. Các thí nghiệm mới được tiến hành gần đây đã bắt đầu xác minh những khẳng định này.

Tuy nhiên, hiện tượng Mpemba vẫn diễn ra trong nước - chất lỏng gần gũi và phổ biến nhất mà chúng ta sử dụng trong các thí nghiệm - vẫn tránh né ánh mắt của các chuyên gia.

“Một cốc nước trong tủ lạnh có vẻ đơn giản”, giáo sư vật lý John Bechhoefer nói, “nhưng thực tế không phải vậy nếu bạn quan tâm nghiên cứu đúng nghĩa”. Làm việc tại Đại học Simon Fraser, ông Bechhoefer là người có kinh nghiệm nhất trong việc nghiên cứu hiệu ứng Mpemba cho đến thời điểm hiện tại.

“Tôi là Erasto B. Mpemba, tôi sẽ kể cho bạn nghe về phát hiện của mình, được thực hiện nhờ việc sử dụng tủ lạnh”. Đó là nội dung của báo cáo khoa học được công bố năm 1969 trên tạp chí Physics Education, trong đó sinh viên Mpemba miêu tả những nỗ lực tạo kem của mình và bạn bè khi học tại Trường Trung học Magamba ở Tanzania.

Trống trong tủ lạnh không còn nhiều, sinh viên Mpemba phải nhanh chóng đặt hỗn hợp làm kem vào tủ. Mpemba đã thay đổi phương pháp làm nguội hỗn hợp sữa và đường, không chờ cho chúng xuống nhiệt độ phòng mà đưa thẳng khay vào tủ. Một giờ sau, hỗn hợp sữa và đường của Mpemba đã đông thành kem, trong khi kem của bạn bè vẫn là dung dịch đặc. Khi hỏi giáo viên vật lý, Mpemba nhận được câu trả lời: “Bạn đã nhầm. Điều đó không thể xảy ra”.

Mpemba đã đặt lại câu hỏi này khi nhà vật lý học Osborne đến thăm trường. “Nếu tôi đưa hai cốc nước có thể tích bằng nhau vào tủ lạnh, một ở nhiệt độ 35 độ C và một ở nhiệt độ 100 độ C, cốc nước ở 100 độ C sẽ đông trước. Tại sao lại như vậy?” Tiếng cười của Mpemba và thầy giáo không thể che giấu được sự tò mò của ông Osborne. Sau khi tự thử nghiệm, nhà vật lý học từ Anh đã phát hiện ra hiệu ứng mà Mpemba mô tả.

Tuy nhiên, ông kết luận rằng các thí nghiệm vẫn còn sơ sài, cần thêm các thí nghiệm sâu hơn để xác minh hiện tượng xảy ra.

Nhiều thập kỷ đã trôi qua, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết để giải thích hiệu ứng Mpemba. Nhận thấy nước là một chất lỏng đặc biệt, có dạng rắn thưa hơn dạng lỏng và hai dạng này tồn tại cùng nhau ở cùng một điều kiện nhiệt độ, một số chuyên gia cho rằng việc tăng nhiệt độ có thể làm giảm sự liên kết trong mạng lưới hydro lưỡng tính, làm tăng sự hỗn loạn trong cấu trúc, giúp giảm lượng năng lượng cần thiết cho quá trình đông đá.

Một giải thích khác, đơn giản hơn, chỉ ra rằng nước ấm bay hơi nhanh hơn nước lạnh, dẫn đến việc giảm thể tích và thời gian đóng băng. Nước lạnh cũng chứa nhiều khí hòa tan hơn, khiến nhiệt độ đóng băng thấp hơn.

Một số chuyên gia cho rằng lớp băng bên ngoài trở thành vật cản giúp cốc giữ nhiệt, trong khi cốc nước nóng sẽ làm tan lớp băng bên ngoài, khiến nó nguội đi nhanh hơn.

Các giải thích này đồng thuận rằng nước ấm đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Tuy nhiên, giới khoa học vẫn chưa đạt được thỏa thuận chung.

Năm 2016, giáo sư vật lý Henry Burridge tại Đại học Hoàng gia London và giáo sư toán học Paul Linden từ Đại học Cambridge tiến hành thí nghiệm để hiểu rõ hơn về hiệu ứng này. Họ quan sát thấy nước nóng tạo tinh thể băng sớm hơn, nhưng cần nhiều thời gian hơn để đóng đá hoàn toàn. Cả hai hiện tượng đều khó đo lường, nên Burridge và Linden quyết định đo thời gian cần để nước đạt nhiệt độ 0 độ C.

Họ phát hiện ra rằng vị trí nhiệt kế quyết định. Khi hai cốc nước đặt ở cùng độ cao, hiệu ứng Mpemba không xảy ra. Nhưng chỉ cần chênh lệch một centimet, hiệu ứng Mpemba sẽ xuất hiện. Dựa trên nghiên cứu liên quan, Burridge và Linden nhận thấy hiệu ứng Mpemba chỉ được ghi nhận trong báo cáo của Osborne và Mpemba.

Phát hiện của họ “chỉ ra rằng các thí nghiệm nhạy cảm đến mức độ nào, thậm chí không cần ghi lại quá trình đóng băng”.

Nhiều nhà khoa học vẫn tin rằng hiệu ứng Mpemba tồn tại, ít nhất là dưới một số điều kiện cụ thể. Kể từ thế kỷ thứ 4 TCN, triết gia vĩ đại Aristotle đã quan sát rằng “để làm nước nguội nhanh chóng, mọi người thường đặt nó dưới ánh nắng mặt trời”; có vẻ như hiệu ứng kỳ lạ đã tồn tại trước khi có nhiệt kế. Mpemba cũng đã chứng kiến hiện tượng tương tự khi so sánh tốc độ đóng đá giữa kem của mình và kem của bạn bè cùng lớp.

Tuy vậy, phát hiện của Burridge và Linden vẫn chỉ ra lý do chính khiến hiệu ứng Mpemba, dù có tồn tại hay không, vẫn khó xảy ra trong các thí nghiệm: nhiệt độ trong cốc chứa nước lạnh thay đổi nhanh chóng khi nước không ở trạng thái cân bằng. Trong khi đó, các nhà vật lý vẫn chưa hiểu rõ về các hệ thống vật chất không cân bằng.

Khi cân bằng diễn ra, dung dịch trong chai có thể được mô tả bằng phương trình ba chỉ số: nhiệt độ, thể tích và số phân tử. Khi đặt chai vào tủ lạnh, các chỉ số này thay đổi một cách khó kiểm soát, làm cho kết quả đo đạc không nhất quán. Các hạt vật chất ở bên ngoài sẽ đóng băng trong thế giới lạnh, trong khi các hạt sâu bên trong vẫn giữ lại nhiệt độ ấm. Nhiệt độ và áp suất cũng dao động không đều.

Khi đọc về hiệu ứng Mpemba, Lu Zhiyue, trợ lý giáo sư thời còn là sinh viên, đã lẻn vào nhà máy lọc dầu ở tỉnh Sơn Đông để tái tạo thí nghiệm. Bằng cách đo thời gian thay đổi nhiệt độ của nước đang đóng băng, anh đã làm cho nước xuống dưới 0 độ C mà không đóng đá (gọi là “siêu hóa lạnh”).

Sau đó, khi nghiên cứu về nhiệt động lực trong các hệ thống không cân bằng, anh đã thử cách làm lạnh nước như trước để tái tạo hiệu ứng Mpemba. Anh đặt câu hỏi: “Liệu có luật nào cấm những hiện tượng sau xảy ra: một vật chất xa khỏi cân bằng biến đổi, lại về cân bằng nhanh hơn một vật chất gần cân bằng hơn?”

Khi gặp Oren Raz, chuyên gia về cơ học xác suất không cân bằng tại Viện Khoa học Weizmann, Lu Zhiyue đã phát triển một mô hình nghiên cứu hiệu ứng Mpemba trên nhiều vật chất khác ngoài nước. Năm 2017, họ cùng viết báo cáo khoa học trên Biên bản Viện Khoa học Quốc gia, mô tả động lực ngẫu nhiên của hạt và chỉ ra rằng, nguyên tắc, dưới một số điều kiện cụ thể, hiệu ứng Mpemba và hiệu ứng ngược lại có thể xảy ra.

Các phát hiện trừu tượng này chỉ ra rằng các yếu tố trong một hệ thống chất nóng (chứa nhiều năng lượng) có thể tạo ra nhiều cơ chế khả thi hơn, trong đó có cách làm cho chất lạnh đi theo một lối tắt bất thường, giúp hệ thống nóng vượt qua hệ thống lạnh trong cuộc đua tới điểm đóng đá.

“Chúng ta thường nghĩ rằng nhiệt độ sẽ thay đổi một cách đơn giản. Bạn sẽ bắt đầu ở nhiệt độ cao, sau đó đi xuống trung bình, rồi đến thấp”, nhà nghiên cứu Oren Raz nói. Nhưng đối với hệ thống không cân bằng, “việc cho rằng hệ thống có một nhiệt độ nhất định không còn chính xác”, và “do đó có thể xuất hiện những lối tắt”.

Báo cáo khoa học gợi sự tò mò đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu, bao gồm một nhóm các nhà khoa học Tây Ban Nha đang thử nghiệm với dung dịch hạt - một sự kết hợp của các hạt cứng có thể chảy như dung dịch, như hạt cát hoặc hạt cây. Qua mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã nhận ra rằng dung dịch hạt cũng có thể tạo ra hiệu ứng tương tự như những gì Mpemba đã mô tả trước đó.

Điều này đã khiến nhà vật lý xác suất Marija Vucelja từ Đại học Virginia tự hỏi về tần suất mà hiệu ứng Mpemba xảy ra trong tự nhiên. “Liệu đây có phải là một khám phá lớn, hay ta có thể tận dụng nó để [tạo ra] quy tắc tốt nhất cho làm nóng hoặc làm lạnh?”, cô tự hỏi. Năm 2019, cô cùng với Oren Raz và hai đồng tác giả khác đã phát hiện ra rằng hiệu ứng Mpemba có thể xảy ra trong một hỗn hợp chất lẫn lộn khác nước, như thủy tinh chẳng hạn. Phát hiện này mở ra khả năng xuất hiện hiệu ứng Mpemba trên nhiều chất liệu khác nhau.

Để hiểu rõ hơn, hai nhà nghiên cứu Lu Zhiyue và Oren Raz đã gặp nhà vật lý học Bechhoefer, một người có nhiều kinh nghiệm trong thực nghiệm.

Thử nghiệm được Bechhoefer và đồng nghiệp Avinash Kumar đề xuất bao gồm những ý tưởng cao cấp nhưng mang lại cái nhìn đơn giản về một nhóm hạt ảnh hưởng bởi nhiều lực khác nhau. Một hạt thủy tinh kích thước lớn được dùng để đại diện cho một hạt chất được đặt trong một “bối cảnh năng lượng” do tia laser tạo ra.

Điểm thấp nhất trong bối cảnh này là một điểm nghỉ ổn định cao, trong khi vùng thấp hơn mô tả trạng thái “siêu ổn định - không ổn định” - một trạng thái mà một hạt có thể tồn tại nhưng có thể rơi vào trạng thái ổn định hơn. Các nhà khoa học đã chìm cả bối cảnh năng lượng này vào nước, dùng nhíp quang học đặt hạt thủy tinh tại 1.000 vị trí khác nhau; kết quả sẽ tương tự như một hệ thống bao gồm 1.000 hạt chất.

Các nhà vật lý đã tạo ra một bối cảnh năng lượng nhân tạo, nơi sự tồn tại của một hạt sẽ cần các mức năng lượng khác nhau.

Họ thả một hạt thủy tinh vào mô hình, tại các vị trí và mức năng lượng khác nhau (cao làm hạt nóng, thấp làm hạt lạnh).

Mọi hạt đều tiến tới trạng thái cân bằng, di chuyển giữa hai vùng trũng năng lượng.

Hạt thủy tinh nóng sẽ đạt điểm cân bằng sớm hơn hạt lạnh.

Một hệ thống năng lượng cao sẽ cho phép hạt thủy tinh được đặt ở bất kỳ vị trí nào, vì hệ thống nóng có nhiều khả năng hơn. Ở mức ấm, hạt thủy tinh sẽ gần vùng trũng hơn. Trong quá trình làm lạnh, hạt thủy tinh sẽ di chuyển giữa hai vùng (ảnh hưởng của phân tử nước).

Quá trình làm lạnh kết thúc khi hạt thủy tinh ở lại một vùng trũng trong khoảng thời gian nhất định, ví dụ như 20% ở vùng trũng siêu ổn định, 80% còn lại ở vùng trũng ổn định. Tỷ lệ này phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước vùng trũng.

Dưới một số điều kiện, hệ thống nóng sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt cân bằng; nước nóng đóng đá chậm hơn nước lạnh. Nhưng trong một số trường hợp, hiệu ứng Mpemba xảy ra. Báo cáo đã được đăng trên Nature năm 2020.

Raúl Rica Alarcón từ Đại học Granada Tây Ban Nha cho biết, báo cáo đã chỉ ra sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba, đặc biệt ở điều kiện nhất định, hiệu ứng này mạnh mẽ hơn.

Báo cáo xác nhận hiệu ứng Mpemba tồn tại và mạnh mẽ hơn ở điều kiện nhất định.

Dù có những dấu hiệu, nhưng vẫn chưa có sự thỏa mãn đầy đủ từ cộng đồng nghiên cứu về việc hiệu ứng Mpemba có thể áp dụng cho mọi hệ thống. Các thử nghiệm vẫn chưa làm cho tôi phấn khích, không có lời giải thích vật lý thỏa đáng, và câu hỏi vẫn còn nếu rằng hiệu ứng tương tự có lợi ích gì hay không.

Thử nghiệm của Bechhoefer có vẻ chỉ ra rằng hiệu ứng Mpemba có thể xuất hiện trong các hệ thống có trạng thái siêu ổn định. Tuy nhiên, liệu đó có phải là cơ chế duy nhất hay không và cách mà hạt vật chất trải qua quá trình nóng lạnh phi cân bằng vẫn còn bí ẩn.

Những công trình nghiên cứu về hiệu ứng Mpemba đã mang lại cho các nhà vật lý một cơ sở trong hệ thống phi cân bằng. Tuy nhiên, việc hạt vật chất tiến gần điểm cân bằng vẫn chưa được giải thích một cách hợp lý, và xác định hệ thống nào có thể phản ứng một cách khác thường sẽ giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến tới cân bằng.

Mpemba sau một thời gian tranh cãi không ngừng trong ngành vật lý, đã rời bỏ và tìm đến ngành quản lý động vật hoang dã. Theo bà Christine Osborne, vợ cựu nhà nghiên cứu Denis Osborne, Mpemba đã qua đời vào năm 2022, để lại một hiện tượng kỳ lạ vẫn còn là bí ẩn lớn trong ngành khoa học.

Theo QuantaMag