Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh vì sao?

Thoạt nghe, câu hỏi dường như đơn giản đến nực cười: “Đặt hai cốc nước nóng và lạnh vào tủ đông, hỏi cốc nào đóng đá trước?”

Lẽ thường cho rằng nước lạnh hơn sẽ đóng băng nhanh hơn, vậy mà những nhà hiền triết như Aristotle hay René Descartes đều chứng kiến và ghi chép điều ngược lại. Ở thời hiện đại, các thợ sửa nước đều ghi nhận những trường hợp ống nước nóng vỡ trong tiết trời giá lạnh, trong khi đó ống nước lạnh hoạt động bình thường.

Trong những năm qua, các nhà nghiên cứu đã phát hiện hiệu ứng Mpemba xuất hiện trên những hợp chất khác, bao gồm polymer có cấu trúc tinh thể, chất rắn giống đá lạnh có tên clathrate hydrate, bên cạnh đó là khoáng chất manganite đang nguội đi trong một từ trường. Những hướng nghiên cứu mới giúp giới khoa học có thêm dữ liệu về một hệ thống phức tạp, nằm ngoài khuôn khổ của quy tắc cân bằng trong nhiệt động lực học.

Có những nhà vật lý học đã thử dựng mô hình dựa trên những quy luật khác thường kể trên, họ dự đoán hiệu ứng Mpemba sẽ xuất hiện trong nhiều loại vật liệu; bên cạnh đó, hiệu ứng ngược - tức là vật chất lạnh nóng lên nhanh hơn vật chất đang ấm sẵn - cũng xảy ra. Những thí nghiệm mới được thực hiện gần đây đã bước đầu xác minh những khẳng định này.

Thế nhưng hiệu ứng Mpemba diễn ra trong nước - vật chất gần gũi nhất, dư thừa nhất mà ta dùng trong các thử nghiệm - vẫn tránh né con mắt chuyên gia.

“Một cốc nước nằm trong tủ lạnh nghe chừng đơn giản”, nhà vật lý học John Bechhoefer cho hay, “nhưng thực tế nó không dễ chút nào đâu nếu bạn thực sự để tâm nghiên cứu”. Công tác tại Đại học Simon Fraser, ông Bechhoefer là cá nhân có kinh nghiệm nhất trong nghiên cứu hiệu ứng Mpemba tính tới thời điểm này.

“Tên tôi là Erasto B. Mpemba, tôi sẽ kể cho bạn nghe về khám phá của mình, có được nhờ lạm dụng tủ lạnh”. Đó là tiền đề của báo cáo khoa học xuất bản năm 1969 trên tạp chí Physics Education, trong đó cậu sinh viên Mpemba mô tả nỗ lực làm kem của cậu và chúng bạn khi còn theo học tại Trường Trung học Magamba tại Tanzania.

Chỗ trống trong tủ lạnh không còn nhiều, cậu học sinh Mpemba phải nhanh chóng đưa hỗn hợp làm kem của mình vào tủ. Mpemba đốt cháy giai đoạn làm nguội tổ hợp sữa và đường, không chờ cho chúng xuống tới nhiệt độ phòng mà đưa thẳng khay chứa vào tủ. Một tiếng rưỡi sau, tổ hợp sữa và đường của cậu đã đóng thành kem, trong khi kem của các bạn cùng lớp vẫn là khối dung dịch đặc quánh. Khi đặt câu hỏi với giáo viên vật lý, Mpemba nhận câu trả lời: “Em nhầm lẫn rồi. Chuyện đó không thể xảy ra được”.

Mpemba đã lặp lại câu hỏi này khi nhà vật lý học Osborne tới thăm trường. “Nếu thầy lấy hai cốc nước với thể tích bằng nhau vào tủ lạnh, một ở nhiệt độ 35 độ C và một ở nhiệt độ 100 độ C, cốc nước nóng 100 độ C sẽ đông đá trước. Tại sao lại thế?” Tiếng cười của bạn hữu Mpemba và thầy giáo đứng lớp không gạt được suy nghĩ tò mò của ông Osborne. Sau khi tự mình thử nghiệm, nhà vật lý học tới từ Anh đã phát hiện ra hiệu ứng do Mpemba mô tả.

Tuy nhiên, ông vẫn kết luận thí nghiệm vẫn còn sơ sài, cần những bài thử chuyên sâu hơn để xác minh được hiện tượng xảy ra.

Nhiều thập kỷ trôi qua, các nhà khoa học công bố nhiều giả thuyết nhằm giải thích hiệu ứng Mpemba. Nhận thấy nước là vật chất lạ kỳ, dạng rắn kém đặc hơn dạng lỏng và hai dạng cùng tồn tại được trong một điều kiện nhiệt độ, một số chuyên gia cho rằng việc tăng nhiệt độ có thể làm giảm liên kết của mạng lưới hydro lưỡng tính vốn mỏng manh, tăng độ hỗn loạn trong cấu trúc, giúp giảm lượng năng lượng cần cho quá trình đông đá.

Một lời giải thích khác, đơn giản hơn, chỉ ra rằng nước nóng bay hơi nhanh hơn nước lạnh, khiến thể tích giảm qua đó giảm thời gian đông lạnh. Nước lạnh cũng chứa lượng khí hòa tan được nhiều hơn, khiến ngưỡng nhiệt độ đóng băng thấp hơn.

Có chuyên gia lại cho rằng lớp băng bọc ngoài trở thành lớp ngăn giúp cốc không thất thoát nhiệt, trong khi đó cốc nóng sẽ làm tan lớp băng bọc ngoài, khiến cốc nóng nguội đi nhanh hơn.

Những lời giải thích trên đều đồng ý với khẳng định nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Nhưng giới khoa học vẫn chưa tìm được tiếng nói chung.

Năm 2016, nhà vật lý học Henry Burridge giảng dạy tại Đại học Hoàng gia London và nhà toán học Paul Linden tới từ Đại học Cambridge tiến hành thử nghiệm cho thấy hiệu ứng nhạy cảm thế nào dưới những phép đo cụ thể. Họ quan sát thấy nước nóng hình thành tinh thể băng sớm hơn, tuy nhiên mất nhiều thời gian hơn để đóng đá toàn phần. Cả hai hiện tượng vừa nêu đều khó đo đạc, nên Burridge và Linden tiến hành đo lượng thời gian cần có để nước chạm ngưỡng 0 độ C.

Họ phát hiện ra rằng các chỉ số dựa trên vị trí đặt nhiệt kế. Khi hai cốc nước được đặt cùng một độ cao, hiệu ứng Mpemba sẽ không xuất hiện. Chỉ cần khoảng cách chênh lệch một centimet, hiệu ứng Mpemba “giả” sẽ xuất hiện. Khảo sát những tài liệu liên quan, Burridge và Linden thấy hiệu ứng Mpemba chỉ xuất hiện trong báo cáo nghiên cứu đầu tiên của Osborne và Mpemba.

Phát hiện của nhà vật lý học và nhà toán học “cho thấy các thí nghiệm nhạy cảm tới nhường nào, ngay cả khi không ghi lại quá trình đóng băng”.

Số nhà khoa học tin vào sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba vẫn đông đảo, họ cho rằng ít nhất hiệu ứng vẫn xuất hiện dưới một số điều kiện nhất định. Từ thế kỷ thứ 4 Trước Công nguyên, triết gia vĩ đại Aristotle đã quan sát thấy “khi muốn làm nước nguội đi nhanh chóng, nhiều người đã đặt nó dưới ánh mặt trời”; có vẻ hiệu ứng lạ lùng đã hiện hữu trước cả khi nhiệt kế ra đời. Mpemba thời học sinh cũng đã chứng kiến hiện tượng tương tự, khi so sánh tốc độ đóng đá giữa kem của mình và của các bạn cùng lớp.

Tuy vậy, phát hiện của Burridge và Linden vẫn cho thấy lý do chủ chốt khiến hiệu ứng Mpemba, dù có thật hay không, vẫn khó xuất hiện trong thử nghiệm: nhiệt độ trong một chiếc cốc chứa nước đang lạnh đi nhanh chóng biến thiên mạnh khi nước đang không trong trạng thái cân bằng. Trong khi đó các nhà vật lý học chưa hiểu biết rõ ràng về các hệ thống vật chất nằm ngoài trạng thái cân bằng.

Khi cân bằng diễn ra, dung dịch bất kỳ trong chai có thể được mô tả bằng phương trình chứa ba chỉ số: nhiệt độ, thể tích và số phân tử. Đặt chai vào tủ lạnh, và chỉ số biến thiên một cách khó kiểm soát, khiến kết quả đo đạc không nhất quán. Những hạt vật chất nằm ngoài cùng sẽ lưu lạc trong thế giới lạnh lẽo, cùng lúc đó vật chất sâu bên trong chai vẫn giữ lại cái ấm. Những chỉ số nhiệt độ và áp suất cũng dao động bất thường.

Khi trợ lý giáo sư Lu Zhiyue đọc về hiệu ứng Mpemba thời còn đang trên ghế nhà trường, anh đã lẻn vào nhà máy lọc dầu tọa lạc tại tỉnh Sơn Đông, nơi mẹ anh công tác, để tái dựng thử nghiệm. Đo đạc thời gian thay đổi nhiệt độ của nước đang đóng băng, anh đã có thể đưa nước xuống dưới mức 0 độ C mà không làm nước đông đá (quá trình có tên “supercooling”, tạm dịch “siêu hóa lạnh” một chất lỏng).

Sau này, khi đi sâu nghiên cứu về nhiệt động lực học trong một hệ thống phi cân bằng, anh thử cách thức làm lạnh nước khi xưa để tái dựng hiệu ứng Mpemba. Anh đặt câu hỏi: “Liệu có luật nhiệt động lực học nào cấm những hiện tượng sau xảy ra: một [vật chất khởi động quá trình biến đổi] xa điểm cân bằng, lại tới điểm cân bằng nhanh hơn một [vật chất] gần điểm cân bằng hơn?”

Khi gặp gỡ Oren Raz, chuyên gia nghiên cứu cơ học xác suất phi cân bằng tại Viện Khoa học Weizmann, anh Zhiyue đã có cơ hội phát triển một mô hình nghiên cứu hiệu ứng Mpemba trên nhiều vật chất khác ngoài nước. Năm 2017, họ trở thành đồng tác giả trong báo cáo khoa học đăng tải trên Biên bản Viện Khoa học Quốc gia, mô tả động lực ngẫu nhiên của hạt và cho thấy về nguyên tắc, có những điều kiện phi cân bằng nhất định sẽ tạo ra hiệu ứng Mpemba và hiệu ứng đảo ngược của nó.

Các phát hiện mang tính trừu tượng cho thấy các thành tố tạo nên một hệ thống chất nóng (tức là đang chứa nhiều năng lượng) có thể sản sinh ra nhiều cơ chế khả thi hơn, một trong số đó cho đưa vật chất lạnh dần theo một lối tắt bất thường, cho phép hệ thống nóng vượt mặt hệ thống lạnh trong cuộc đua tới điểm nhiệt độ đóng băng.

“Chúng ta đều ngây thơ nghĩ rằng nhiệt độ sẽ thay đổi một cách đơn điệu. Bạn sẽ khởi đầu ở mốc nhiệt độ cao, rồi tới mức trung bình, rồi xuống thấp”, nhà nghiên cứu Oren Raz nói. Nhưng với một hệ thống đã không còn cân bằng, “khẳng định cho hay hệ thống sở hữu một mức nhiệt độ nhất định không còn thực sự đúng”, và “vì thế những lối tắt có thể xuất hiện”.

Báo cáo khoa học gây tò mò đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, trong đó có một nhóm các nhà khoa học Tây Ban Nha đang thử nghiệm với dung dịch hạt - là một tổ hợp các hạt cứng có thể chảy như dung dịch, như hạt cát hay hạt cây. Qua mô hình giả lập, nhóm nghiên cứu thấy dung dịch hạt cũng có thể tạo ra hiệu ứng tương tự những gì Mpemba mô tả năm xưa.

Điều đó khiến nhà vật lý xác suất Marija Vucelja tới từ Đại học Virginia tự vấn về tần suất hiệu ứng Mpemba xảy ra trong tự nhiên. “Liệu đây là kim rơi đáy bể, hay ta có thể tận dụng nó để [tạo ra] quy tắc làm nóng hoặc làm lạnh tối ưu?”, cô thắc mắc. Năm 2019, cô cùng Oren Raz và hai đồng tác giả khác phát hiện ra rằng hiệu ứng Mpemba có thể diễn ra trong một tổ hợp chất hỗn loạn không giống nước, đơn cử như thủy tinh. Phát hiện mở ra khả năng xuất hiện hiệu ứng Mpemba trên nhiều những vật chất khác nữa.

Để tìm hiểu sâu hơn, hai nhà nghiên cứu Lu Zhiyue và Oren Raz tới gặp nhà vật lý học Bechhoefer, một cá nhân có nhiều kinh nghiệm trong thử nghiệm thực tế.

Thử nghiệm do Bechhoefer và đồng nghiệp Avinash Kumar đề xuất bao gồm những khái niệm cao siêu, nhưng mang đến góc nhìn trần trụi về một nhóm hạt bị ảnh hưởng bởi nhiều lực khác nhau. Một hạt thủy tinh kích cỡ hiển vi đại diện cho một hạt vật chất được đặt trong một “bối cảnh năng lượng” tạo ra bởi tia laser.

Vùng trũng sâu nhất trong bối cảnh này là một điểm nghỉ có tính ổn định cao, trong khi đó vùng trũng nông hơn mô tả trạng thái “siêu ổn định - metastable” - trạng thái một hạt có thể tồn tại nhưng vẫn có thể rơi xuống vùng ổn định hơn. Các nhà khoa học nhấn chìm toàn bộ bối cảnh năng lượng này xuống nước, dùng nhíp quang học đặt hạt thủy tinh tại 1.000 vị trí khác nhau; thử nghiệm sẽ cho kết quả tương tự với một hệ thống bao gồm 1.000 hạt vật chất.

Các nhà vật lý học tạo ra một bối cảnh năng lượng nhân tạo, tại đó quá trình tồn tại của một hạt sẽ cần những lượng năng lượng khác nhau.

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

Hạt nào cũng sẽ tiến tới trạng thái cân bằng, di chuyển qua lại giữa hai vùng trũng của bối cảnh năng lượng cho trước.

Hạt thủy tinh nóng hơn đã chạm tới điểm cân bằng trước.

Một bối cảnh năng lượng cao sẽ là hệ thống cho phép hạt thủy tinh được đặt ở bất cứ đâu, bởi lẽ một hệ thống nóng sẽ giàu năng lượng, cho phép nhiều khả năng xảy ra hơn. Tại một hệ thống chỉ ở mức ấm, điểm đặt hạt thủy tinh sẽ gần vùng trũng hơn. Trong quá trình làm lạnh, hạt thủy tinh sẽ an tọa tại một trong hai vùng trũng, rồi di chuyển qua lại giữa hai vùng (có chịu cả ảnh hưởng của các phân tử nước).

Quá trình làm lạnh kết thúc khi hạt thủy tinh ở lại một vùng trũng trong một khoảng thời gian nhất định, ví dụ như dành 20% số thời gian nằm tại vùng trũng siêu ổn định (metastable), 80% còn lại nằm tại vùng trũng ổn định. Tỷ lệ này sẽ phục thuộc vào nhiệt độ nước và kích cỡ các vùng trũng.

Tại một số điều kiện nhất định, hệ thống nóng sẽ mất nhiều thời gian hơn hệ thống ấm để đạt điểm cân bằng; tức là một cốc nước nóng sẽ đóng đá chậm hơn cốc nước lạnh. Nhưng tại một số trường hợp, hiện tượng Mpemba diễn ra. Hơn hết, xảy ra điều kiện mà tại đó hệ thống nóng nguội đi với một tốc độ nhanh hơn trông thấy; các nhà nghiên cứu đã đặt tên cho trạng thái này là “hiệu ứng Mpemba mạnh”. Báo cáo khoa học đã được đăng tải trên tạp chí Nature vào năm 2020.

“Kết quả đã rõ”, Raúl Rica Alarcón tới từ Đại học Granada tại Tây Ban Nha, người cũng đang nghiên cứu hiệu ứng Mpemba, cho hay. “Họ đã mô tả thành công một hệ thống khởi đầu xa điểm cân bằng, nhưng lại chạm đích nhanh hơn những hệ thống nằm gần hơn”.

Nói một cách khác, báo cáo khẳng định sự tồn tại của hiệu ứng Mpemba, đồng thời cho thấy tại một điều kiện nhất định, hiệu ứng sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn cả.

Kết quả vẫn chưa thuyết phục được toàn bộ giới nghiên cứu, rằng hiệu ứng Mpemba có thể xuất hiện trên bất cứ hệ thống nào. “Lúc nào tôi cũng đọc hết các thử nghiệm này, và tôi không chút ấn tượng với cách trình bày chúng”, nhà nghiên cứu Burridge cho hay. “Tôi vẫn chưa thấy một lời giải thích hợp lý về mặt vật lý, và tôi cảm thấy câu hỏi vẫn cứ đau đáu, rằng liệu hiện tượng tương tự hiệu ứng Mpemba có tồn tại theo một cách nào đó có lợi hay không”.

Có vẻ thử nghiệm của Bechhoefer cho thấy hiệu ứng Mpemba có thể xuất hiện trong những hệ thống chứa trạng thái siêu ổn định. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu chưa rõ liệu đây có phải cơ chế gây hiệu ứng Mpemba duy nhất, bên cạnh đó cách hạt vật chất trải qua quá trình làm nóng - làm lạnh phi cân bằng vẫn còn khuất sau chân trời khám phá.

Khi chưa có gì thay đổi, thì các công trình nghiên cứu liên quan tới hiệu ứng Mpemba đã cho các nhà vật lý một điểm tựa trong hệ thống phi cân bằng vốn nhiều thiếu sót. “Việc [hạt vật chất] tiến tới điểm cân bằng là một câu hỏi quan trọng mà thú thực, chúng tôi vẫn chưa có một học thuyết hợp lý để giải thích”, ông Raz nhận định. Việc xác định được hệ thống nào có thể phản ứng một cách khá lạ “sẽ mang tới một cái nhìn rõ hơn về cách một hệ thống tiến tới điểm cân bằng”.

Sau khi khởi phát một cuộc tranh cãi kéo dài nhiều thập kỷ, Mpemba lại không theo đuổi vật lý. Ông tìm về với tự nhiên thông qua ngành quản lý động vật hoang dã, để sau này trở thành cán bộ công tác tại Bộ Du lịch và Tài nguyên Thiên nhiên của Tanzania. Theo lời bà Christine Osborne, góa phụ của nhà nghiên cứu Denis Osborne, ông Mpemba đã qua đời hồi năm 2022. Ông ra đi, để lại một trong những bí ẩn lớn nhất ngành khoa học dưới dạng một hiệu ứng kỳ lạ mang tên mình.