お湯は本当に寒いよりも早く凍りますか？ジェニファー・ウーレットは、いわゆるムペンバ効果の新しい理論的理解とは何か、そして冷水が温水よりも速く熱くなる可能性があると予測する理由について説明しています。
食品の準備ができています。飲み物は冷蔵庫にあります。素晴らしいお祭りパーティーの準備が整いました。くそー！角氷はなく、ゲストは数時間で期限が切れます。あなたは地元のコンビニエンスストアに全力疾走しますが、角氷のパーティーバッグは一掃されます。慌てる必要はありません。あなたは物理学者であり、「ムペンバ効果」について聞いたことがあるでしょう。お湯はぬるま湯や冷水よりも早く凍結するので、角氷トレイをホットタップから満たし、冷凍庫に入れます。パニック
科学者は、この直感に反する現象の背後にある正確なメカニズムについて、またはムペンバ効果がまったく存在する場合でも、一貫して再現するのが非常に難しいことが証明されているため、まだ明確ではありません。最新のひねりを加えた2人の物理学者は、このような異常なイベントが単純なシステムでどのように発生するかについて、一般化された理論的枠組みを計画しました。「ムペンバ効果は水にとって特別なものではありません」と、イスラエルのワイズマン科学研究所のOrenRaz氏は述べています。米国のシカゴ大学のZhiyueLuによる理論（PNAS 114 5083）。 「本質的に同じ効果を持つ異なるシステムが存在するはずです。」
RazとLuの理論は、逆ムペンバ効果も予測しています。特定の条件下では、冷たいシステムは暖かいシステムよりも速く熱くなる可能性があります。trueの場合、今日まで科学的神話として大部分が却下されてきた温水や温水よりも冷水が速く沸騰すると信じている人にとっては歓迎すべきニュースです。彼らの研究はまた、スペインの科学者にムペンバを示す独自の理論モデルを考案するよう促しました。効果は、液体に浮遊する球体からなる粒状流体で発生する可能性があります。
挑戦的な慣習
お湯が冷たくよりも速く凍結するという概念は、エラストムペンバにちなんで名付けられました。タンザニアの男子生徒だった彼は、沸騰した牛乳を冷凍庫に入れる前に冷やさないと、自家製のアイスクリームが学友のバッチよりも早く凍ることに気づきました。実際、冷凍する前に牛乳を冷やさないのが一般的でした。地元のアイスクリームベンダーの間で当時の。しかし、ムペンバの観察は、ニュートンの冷却の法則について言われたこととは一致しませんでした。つまり、体が冷える速度は、その体とその環境との間の温度差に比例するということです。
若者ムペンバは彼の観察を説明するように彼の教師に挑戦し、彼の問題のために丸く嘲笑されました（教師はそれを「ムペンバの物理学」として皮肉を込めて却下しました）。同じ質問。オズボーンは大学に戻ったときに実験を試みることを約束しました。個人的には、少年は間違っていると思いましたが、ばかげるべきではないと感じ、冷却速度に影響を与える他の未知の要因があるかもしれないと認めました。オズボーンの驚き、実験はうまくいき、彼は結局論文ウィットを共同執筆しましたh 1969年のムペンバ（Phys。エド。 4 172）。
それ以来、ムペンバ効果はDIY教育用家庭実験の定番となっていますが、彼が最初に気付いたわけではありません。紀元前350年頃、アリストテレスは、液体をより速く冷却したい場合は、最初に太陽に水を入れるのが地元の習慣であると観察しました。ロジャー・ベーコンと（4世紀後）フランシス・ベーコンも、ルネ・デカルトと同様に、そのような効果の存在を主張しました。そして、過去10〜15年間、科学者たちは、そのような直感に反する現象の正確な原因を解明することを望んで、ムペンバ効果をより綿密に調べてきました。英国王立化学会は2012年にコンテストを後援し、世界中の科学者に説明を求めました。それでも、提出された20,000を超える論文のいずれも、幅広いコンセンサスを生み出しませんでした。
ライバルの説明長年にわたって科学者によって提唱された最も一般的な説明の1つは、対流熱の影響に集中しています。水が加熱されると対流を形成し、高温の液体を表面に移動させて蒸発させる移動。この効果の結果として、お湯の入った開いたカップは、冷水が入った同様の容器よりも速く蒸発し、残りの液体はより速く凍結します。しかし、これは上部が開いた容器への影響を制限し、いくつかの実験では閉じた容器でも影響が観察されています。
水に不純物が十分に含まれていない場合は、水が通常の凝固点よりかなり低い温度で液体のままである過冷却も含まれる場合があります。そうしないと、液体が固体に結晶化するのに役立ちます。実際、1995年に、当時ドイツのゲッティンゲンにあるマックスプランク流体力学研究所の物理学者であるDavid Auerbachは、冷水が温水よりも低温に過冷却することを示唆する実験を実施しました（Am。J.Phys。63882） 。彼の実験は、氷の結晶が高温で過冷却された液体に現れるときにムペンバ効果が発生することを明らかにしました。つまり、そのような場合、お湯が最初に凍結するように見えます。しかし、2009年に、セントルイスのワシントン大学のJonathan Katzは、おそらく冷水中の炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムなどの溶質が鍵を握ると示唆しました。これらは凍結プロセスを遅くし、お湯に優位性を与えます（Am。J.Phys。77 27）。
最近、分子シミュレーションを実行している化学者は、Mpemba効果が水中の水素結合の異常な性質に関連している可能性があることを示唆しています（J.Chem。TheoryandComp。1355）。これらの分子間結合は、各分子内の水素原子と酸素原子を一緒に保持する共有結合よりも弱いため、水が加熱されると壊れます。次に、水分子は断片を形成し、氷の結晶構造に再配列し、凍結プロセスを開始します。冷水は凍結が始まる前に最初にそれらの弱い水素結合を切断しなければならないので、熱湯が冷える前に凍結し始めることは理にかなっています。 「低温の水は結晶化に近いはずだと思いがちです」と、カリフォルニア工科大学（Caltech）の化学者であるWilliam Goddardは言います。彼は、低温の水が実際にはその点から遠いことを示す同様のメカニズムをモデル化しました。 （2015J.Phys。Chem。C.1192622）。
残念ながら、これらの提案された説明はどれも、懐疑的な科学者を揺さぶるほど説得力があるとは証明されていません。そして、実験室での実験で一貫して効果を再現する最近の試みはカリフォルニア工科大学の国立大気研究センターで氷を研究しているチャールズ・ナイトは、物理学の世界（2006年2月pp19–21）で自分の実験を思い出し、–15°Cの部屋で水が出るのを待っていました。アイスキューブトレイで凍結します。均一性に最善を尽くしたにもかかわらず、15分以内に凍結し始めたトレイもあれば、1時間以上かかったトレイもあります。
このような高い変動性は、Mpembaの実験に典型的なものです。私に 効果が存在する場合、それは人々がまだ十分に制御していない要因に依存します」と、長い間ムペンバ効果に魅了されてきたノースカロライナ大学シャーロット校の物理学者、グレッグ・グブルは言います。 「関係する可能性のある他の多くのパラメータがあります。温度以外に、一見同じように見える2つのサンプル間のわずかな違いです。物事が非常に急速に変化する場合、それに影響を与える可能性のあるあらゆる種類の内部ダイナミクスがあります。」
一部の科学者は、その影響がまったく存在しないことを疑っています。インペリアルカレッジロンドンのヘンリーバリッジはそのような懐疑論者の1人です。昨年、彼と彼の同僚は、高温と低温の水のサンプルが0°Cに冷却されるまでにかかる時間を測定しました。 Burridge（2016Sci。Rep。637665）によれば、水が凍結する温度。これらの実験では、あらゆる種類のMpemba効果の証拠となるものは何も観察されませんでした。
さらに他の人が主張しています。多くの場合、水はいわゆる凝固点で凍結しないため、これは測定するのに適切なパラメータではない可能性があります。さらに、最初の氷の結晶が形成されたとき、または特定の容器内の液体が凍結したと見なされるものです。完全に凍っていますか？」厳密には、お湯が最初に凍ると言われていました」とラズは言います。 「しかし、何かがフリーズする時点をどのように決定しますか？それは時点ではなく、プロセスです。」
平衡状態から外れている
それが、新しい理論的枠組みが開発された理由です。 RazとLuは、特定の定義に依存しない別のパラメーターに焦点を当てています。代わりに、冷却プロセスを平衡状態から外れているものとして扱います。システムは、基本的な特性が時間とともに変化しない場合、平衡状態にあると言われます。すべてたとえば、箱に入れられた完全に拡散したガスは、その体積、温度、ガス分子の総数であることを理解する必要があります。
しかし、地震や空気の乱れから急速な冷却まで、多くの自然現象があります。または気候変動–オープンシステムで物事が平衡からかけ離れているときに発生します。このような非平衡現象を理解するには、3つ以上の数値が必要です。平衡状態のボックス内の分子の平均的な動作はすべてのポイントでほぼ同じですが、非平衡状態では、温度はすべてのポイントで異なり、密度はすべてのポイントで異なる可能性があります。それが、非平衡システムをそのような挑戦的な研究分野にしている理由です。
RazとLuは、メリーランド大学カレッジにいたときに、コーヒーを飲みながらこのアイデアを思いつきました。パーク。ラズは、「マルコフ」システムに関する最近の論文を読んだことがあります。これは、システムの影響を受けない熱浴に物体が結合されているシステムです。マルコフシステムの一例は、大気に接続されたホットコーヒーです。コーヒーは冷えるので、雰囲気は基本的に変わりません。ただし、ホットコーヒーを中に入れると冷蔵庫に影響が出て、「非マルコフ」システムになります。
マルコフシステムがどのように平衡状態に緩和するか、そしてルーはそれがムペンバ効果に関連しているのではないかと考えました。彼らのモデルの最も単純なバージョンでは、冷蔵庫の内部が冷たいなど、平衡状態にある基本システムと、最初は高温の2つのシステムがあり、一方が他方よりも比較的高温であると考えています。それらが冷えると、これら2つのシステムは平衡の基本状態に向かって緩和します。 RazとLuは、これらの条件下で、温度の変化率の点で、より高温のシステムがより低温のシステムをバイパスできることを示しました。これにより、平衡状態への「パス」が短くなります。つまり、冷却が速くなります。ニュートンの冷却の法則に従って机が冷えると、冷蔵庫に入れられたコーヒーは、コーヒーが一種の「クエンチ」で冷蔵庫と相互作用するため、冷却方法が異なります。
シミュレーションで、RazとLuは実際にその逆を発見しました。 Razは加熱プロセスをモデル化しており、逆加熱効果を生成するためのパラメーターを簡単に設定できることがわかったため、最初にムペンバ効果が発生しました。その後、そのモデルを逆にすることによって、より一般的に適用可能なムペンバのような効果を生み出しました。しかし、このバイパス効果がその1つのモデルだけに限定されないようにするために、彼らはそれを「イジングモデル」と呼ばれるより複雑なシステムに拡張しました。これは物理学で広く使用され、強磁性からタンパク質までのすべての相転移をモデル化します。ニューラルネットワークへのフォールディングと群がる鳥のダイナミクス。
イジングモデルは通常、2D格子として表され、磁性材料の場合、グリッド上の各ポイントに粒子があります。スピン「アップ」またはスピン「ダウン」の2つの状態のいずれかになります。スピンは、システムの全体的なエネルギーを低下させるため、隣接するスピンと平行に整列するようになります。実際、強磁性体を冷却すると、臨界点（「キュリー温度」）より下では、スピンはすべて完全に秩序化されるまで自動的に調整され、平衡状態、つまり強磁性体を形成します。
2つある場合、Mpembaのような効果が観察されます。キュリー温度を超える非磁性システムとそれらを結合するキュリー温度以下の冷熱浴に。システムが冷えると、スピンが反転して平行に整列し、余分なエネルギーを熱浴に失います。 「ホット」システムが「コールド」システムの前に磁化される場合、ムペンバのような効果があります。さらに、スピンがバスからエネルギーを獲得し、逆平行に反転すると、逆ムペンバ効果が見られます。 RazとLuは実際に、スピンが互いに逆平行に整列したい反強磁性体（強磁性体ではない）を研究しましたが、原理は同じです。また、彼らは2Dシステムを研究していなかったため、相転移を厳密に観察しませんでしたが、リンクが最も近い隣人とのみ相互作用する15スピンの1Dイジングチェーンを観察しました。 「しかし、効果を確認するために相転移は必要ありません」とRaz氏は言います。「千鳥状の磁化（隣接する磁化の差）が交差すること、つまり最初は高温のシステムの値が低いことを確認するだけで十分です。
懐疑的な心
懐疑論者であるにもかかわらず、Burridgeはこの作品を「興味深い理論」と宣言していますが、そのような効果が可能であることは実証されていません。著者らは、論文の紹介で多くのことを認めています。これらは、原理の一般的な証明を示す非常に単純なモデルであり、RazとLuはまだ理論を水に拡張していません。シミュレートするのが非常に難しい複雑なシステム。「水は複雑で、多くの異常な特性があります」とRaz氏は言い、たとえば氷は水よりも密度が低く、予想どおり密度が高くありません。
それでも、Gburは、この新しい理論的フレームワークはムペンバ効果の観点から「おそらくゲームチェンジャー」であると考えており、すでに粒状材料での研究に影響を与えています。「以前は、定量的な研究はこれまでありませんでした。高温のものは低温のものよりも早く凍結または平衡温度に達する可能性があることを示しています」と彼は言います。ゴダードはそれを「エレガントな説明であり、新しい数学的分析」と呼んでいますが、それが最終的に水中でのムペンバ効果を説明することに懐疑的であることを認めています。
すべては次に何が起こるかにかかっています。 「一方では多くの不確実な実験があり、他方では優れた理論モデルがありますが、それは単純なシステムのみです」とGbur氏は言います。 「次の自然なことは、理論と実験を直接比較できる中間システムを見つけることです。」これこそが、RazとLuが現在焦点を当てていることであり、たとえば、カナダのサイモンフレイザー大学のJohn Bechhoeferと協力して、適切な条件下で逆ムペンバ効果を示す可能性のある潜在的なシステムを特定します。その後、実験を調整できるようになります。
これは、この現象の堅牢な理論的枠組みに向けたさらに別のステップです。たとえば、Gburは彼らを応援しています。「これはとても素晴らしいアイデアです」と、彼は言います。この時点でムペンバ効果が真実ではないことが判明した場合は、残念です。」ただし、パーティーのゲストがアイスキューブの不足についての説明に満足するかどうかは、まだわかりません。
粒状効果
Oren Razそして、ムペンバ効果のZhiyue Luのモデルは、スペインのエストレマドゥーラ大学のアントニオラサンタ、アンドレサントス、フランシスコベガレイエス、およびセビリア大学のアントニオプラドスに、ムペンバ効果を詳細に示す独自の理論モデルを考案するように促しました。流体に浮遊する球状粒子からなる流体（Phys。Rev.Lett。119148001）逆効果も予測するモデルの鍵は、粒状流体に硬い非弾性球が含まれていることです。したがって、粒子が衝突すると、粒子は衝突します。熱損失以外のメカニズムによってエネルギーを失います。「高温粒子」は「低温粒子」よりも頻繁に衝突し、十分に冷却できます。前者の初期エネルギー分散が十分に大きい場合、それらを追い抜くのに十分な速さです。
Mpembaの最初の実験は、水に懸濁された多数の大きな粒子で構成されるミルクを使用したものでした。したがって、スペインの科学者の研究は、ムペンバが実際に行ったことのより近いモデルである可能性があります。それは水にも関連していることが証明されるかもしれません。結局のところ、サンプルが純粋ではないが、同様に大きな溶質粒子が含まれている場合、それらの不純物がムペンバ効果の要因になる可能性があります。
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