Một học sinh trung học người Tanzania, Mpemba, tình cờ phát hiện ra điều này, một bí ẩn đến giờ vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng từ giới khoa học.
Nước là một dạng vật chất kỳ lạ
Đây có vẻ là một nghịch lý nhất trong vật lý, nước nóng bị đóng băng nhanh hơn nước lạnh ở trong cùng một điều kiện môi trường. Aristotle có nhắc đến từ 2000 năm trước nhưng suốt từ đó đến nay vẫn chưa có một lời giải thích xác đáng nào cho hiện tượng kỳ lạ trên.
Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Mpemba” – đặt theo tên học sinh trung học Erasto B.Mpemba người Tanzania. Mpemba tình cờ phát hiện ra hiện tượng này lần đầu năm 1963 trong một lớp học nấu ăn tại trường cấp 2 Magamba, khi anh làm lạnh món kem trộn nóng (hỗn hợp trộn để làm kem – vẫn còn nóng trước khi cho vào tủ lạnh) và để ý thấy rằng nó đông cứng nhanh hơn kem trộn lạnh.
Sau khi tốt nghiệp, Mpemba chuyển lên học tại trường Mkwawa, tỉnh Iringa, Tanzania. Một lần, hiệu trưởng trường này đã mời Tiến sĩ Denis G. Osborne từ đại học ở thành phố Dar Es Salaam đến giảng bài về vật lý học.
Kết thúc bài giảng, Erasto Mpemba đã hỏi vị Tiến sĩ một câu: “Nếu ta có 2 cốc nước bằng nhau, một cốc nước nguội 35°C và một cốc nước nóng 100°C, cùng cho cả 2 cốc vào trong tủ đá thì cốc nước nóng lại đóng băng trước – Vậy giải thích tại sao?” – và chỉ nhận được sự chế nhạo của các bạn cùng lớp, và cả của thầy giáo.
Nhưng sau chút ngạc nhiên ban đầu, tiến sĩ Denis G. Osborne đã tiến hành thí nghiệm lại phát kiến đó tại nơi làm việc của mình, và đã xác nhận phát hiện của Erasto. Sau đó họ đã cùng công bố kết quả vào năm 1969.
Hiệu ứng “Mpemba” – nước sôi đóng băng nhanh hơn nước lạnh
Hiệu ứng kỳ lạ này đã làm đau đầu giới khoa học trong nhiều năm. Các nhà vật lý học đưa ra nhiều giả thiết về hiệu ứng Mpemba (liên quan đến sự bay hơi, sự đối lưu, quá trình đóng tuyết, sự làm chậm đông và các tạp chất hòa tan). Tuy nhiên, các giải thích đều không thuyết phục được mọi người, bởi vì mặc dù các yếu tố trên đều có ảnh hưởng nhất định nhưng chưa đủ mạnh để gây nên hiệu ứng, cũng như chưa ai đưa ra được bằng chứng xác thực để chứng minh.
Vào năm 2012, Viện hóa học Hoàng gia đã tổ chức một cuộc thi với đề tài là giải thích hiện tượng trên và đã thu hút hơn 22.000 bài dự thi, nhưng kết quả vẫn chưa tìm được lời giải thích nào đủ thuyết phục.
Giả thuyết thường được đưa ra nhất đó là nước nóng sẽ bị bốc hơi và làm giảm khối lượng dẫn đến thời gian đóng băng nhanh hơn. Tuy nhiên, hiện tượng cũng xảy ra đối với các bình kín cho nên giả thiết trên đã bị bác bỏ.
Một hướng giải thích khác là về các dòng đối lưu và sự biến thiên nhiệt độ của nước nóng, giả thuyết này cho rằng do có sự chênh lệch nhiệt độ của bên trong khối nước nóng dẫn đến bề mặt sẽ bị đóng băng nhanh chóng. Tuy nhiên, giả thiết này cũng nhanh chóng bị chứng minh là không khả thi.
Mới đây nhất, nhóm nghiên cứu Trường đại học nam Methodist, Dallat và đại học Nam Kinh, Trung Quốc đã phối hợp thực hiện một giả thuyết về mối liên kết nguyên tử giữa hydro và oxy bên trong phân tử nước.
Mô phỏng phân tử nước ở hai trạng thái nóng và lạnh
Mô phỏng các phân tử nước cho thấy độ mạnh trong liên kết của các nguyên tử Hydro nằm ở cánh trái sẽ phụ thuộc vào sự sắp xếp của các phân tử xung quanh. Khi nước được cấp nhiệt thì các liên kết yếu sẽ bị phá hủy và tạo thành một nhóm các nguyên tử với cấu trúc của băng đá giúp cho việc khởi động quá trình đóng băng diễn ra dễ dàng hơn.
Đối với nước lạnh, để có thể thành tạo nên cấu trúc này thì trước tiên phải phá hủy liên kết hydro. Hay nói cách khác, trong nước nóng, phần trăm tồn tại liên kết hydro mạnh cao hơn trong nước lạnh vì các liên kết hydro yếu đã bị phá hủy do nhiệt độ.
Các thống kê và phân tích đã cho ra lời giải thích xác đáng nhất cho hiệu ứng Mpemba. Trong nước nóng, các liên kết nguyên tử hydro yếu đã bị phá hủy. Từ đó, tạo điều kiện cho các phân tử nước với liên kết hydro mạnh hơn có thể sắp xếp với nhau tạo thành mạng lưới lục giác của băng đá dễ dàng hơn so với các phân tử nước chưa được định hình trong trạng thái nước lạnh.
Nhưng cũng giống như tất cả những giả thiết đã có trước đó, cần có nhiều bằng chứng hơn để có thể đưa ra kết luận cuối cùng cho hiệu ứng Mpemba. Mở rộng ra thì vấn đề nằm ở chỗ có thể có nhiều yếu tố tác động cùng một lúc để dẫn đến hiện tượng này như là đối lưu, bay hơi và trạng thái siêu lạnh.
Theo một chiều hướng khác thì nhóm nghiên cứu thuốc trường Cao đẳng Hoàng gia London đã tiến hành nhiều thí nghiệm cho các mẫu nước nóng và lạnh cùng đóng băng tại điểm 00C, tuy nhiên, theo nhà nghiên cứu Henry Burridge thì không hề ghi nhận được sự hiện diện của hiệu ứng Mpemba trong các thí nghiệm này.
Do đó có lẽ chúng ta vẫn phải chờ cho đến khi có một ai đó có thể đưa ra được kết luận cuối cùng cho điều bí ẩn này.
