فیزیک امپمبا، نه فیزیک جهانی: چرا آب داغ گاهی سریع‌تر از آب سرد یخ می‌زند؟
راز آب گرم و فریزر سال‌ها ذهن ارسطو تا دانشمندان کوانتوم را درگیر کرد؛ روایتی جذاب از پدیده‌ای که تصور ما از فیزیک گرما را به هم می‌ریزد.
راز آب گرم و فریزر سال‌ها ذهن ارسطو تا دانشمندان کوانتوم را درگیر کرد؛ روایتی جذاب از پدیده‌ای که تصور ما از فیزیک گرما را به هم می‌ریزد.
دو لیوان آب، یکی جوشان و دیگری ولرم، هم‌زمان راهی فریزر می‌شوند تا برنده‌ی مسابقه‌ی انجماد مشخص شود. کدام زودتر یخ می‌زند؟
جواب را احتمالاً پیش از تمام‌شدن سؤال می‌دانید. آب داغ راه درازتری تا صفر درجه پیش رو دارد و برای رسیدن به دمای یخ، اول باید از دمای لیوان ولرم عبور کند؛ پس در بهترین حالت فقط می‌تواند پابه‌پای رقیبش برسد. استدلالی منطقی، از همان دست قوانینی که چشم‌بسته قبولشان داریم و هیچ‌وقت لازم ندیدیم امتحانش کنیم.
سال ۱۹۶۳، پسری سیزده‌ساله در تانزانیا با یک ظرف بستنی همین منطق را به چالش کشید. معلمش به او خندید و هم‌کلاسی‌هایش نامش را روی اشتباه‌های خود گذاشتند. شصت سال بعد، فیزیک‌دان‌ها در آزمایشگاه‌های کوانتومی همان نام را در عنوان مقاله‌هایشان می‌نویسند.
اثر امپمبا را معمایی علمی می‌دانند که رد پایش از دست‌نوشته‌های ارسطو تا آزمایش یون‌های به‌دام‌افتاده ادامه یافت و نامش را از نوجوانی گرفت که حاضر نشد به‌خاطر مخالفت دیگران، به چشم‌های خودش شک کند.
مدرسه متوسطه ماگامبا در کوه‌های شمال تانزانیا قرار داشت و پسرها سرگرمی‌های کوچکی برای خودشان داشتند؛ مثل درست‌کردن بستنی خانگی. عمدتاً چون دستورش ساده بود؛ فقط باید شیر را می‌جوشاندند، شکر را در آن حل می‌کردند، می‌گذاشتند مخلوط خنک شود و بعد در قالب یخ، داخل یخچال مدرسه می‌گذاشتند. اراستو امپمبا هم یکی از همین پسرها بود و گاهی با بستنی پول‌توجیبی درمی‌آورد.
اراستو برای از دست ندادن آخرین قالب یخچال، شیر جوشان را مستقیم در فریزر گذاشت
یکی از روزها که یخچال داشت پر می‌شد؛ هم‌کلاسی امپمبا که دید او شیر را روی آتش گذاشته، دوید، شیرش را نجوشانده با شکر قاطی کرد و در یکی از قالب‌ها ریخت تا جا نماند. حالا فقط یک قالب خالی باقی مانده بود. امپمبا حساب کرد اگر صبر کند تا شیر جوشیده‌اش خنک شود، آخرین قالب را از دست می‌دهد. پس ریسک کرد و شیر داغ را مستقیم در یخچال گذاشت، با این ترس که شاید یخچال را خراب کند.
یک ساعت و نیم بعد، در یخچال را باز کرد. قالب او بستنی شده بود، ولی در قالب سرد همکلاسی‌اش مایعی غلیظ به چشم می‌خورد. امپمبا سال‌ها بعد همین صحنه را در مقاله‌ای علمی با جزئیات نوشت؛ صحنه‌ای که با معیار هر کتاب درسی، اصلاً نباید رخ می‌داد.
امپمبا سراغ معلم فیزیکش رفت و پرسید چرا شیر داغ زودتر یخ می‌زند. معلم گفت: «گیج شده‌ای؛ چنین چیزی ممکن نیست.» پسرک هم پذیرفت؛ بالاخره معلمش چیزی بیشتر از او می‌دانست.
اما ماجرا در ذهنش ماند و بعدها فهمید بستنی‌فروش‌های شهر تانگا عمداً مخلوط را داغ‌داغ در فریزر می‌گذارند، چون تجربه به آن‌ها گفته بود این‌طور زودتر آماده می‌شود. پس حرفش را دوباره پیش کشید؛ این بار در کلاسی که درسش قانون سرمایش نیوتن بود.
معلم با اطمینان کامل مشاهدات اراستو را خطا خواند
قانون نیوتن می‌گوید هرچه اختلاف دمای جسم با محیط بیشتر باشد، گرما را سریع‌تر از دست می‌دهد و با نزدیک‌شدن دمایش به دمای محیط، سرعت سردشدن کاهش می‌یابد. بنابراین آب ۱۰۰ درجه‌ای برای رسیدن به صفر، ناگزیر باید از دمای ۳۵ درجه عبور کند. از آن لحظه به بعد انتظار داریم همان مسیر آب ۳۵ درجه‌ای را طی کند؛ پس چطور ممکن است زودتر از آن یخ بزند؟
معلم با همین منطق، جمله‌ای گفت که بعدها به‌عنوان شناسنامه این ماجرا ثبت شد : «فقط می‌توانم بگویم که این فیزیکِ امپمباست، نه فیزیکِ جهانی.» از آن روز، هر بار امپمبا مسئله‌ای را اشتباه حل می‌کرد، کلاس با خنده اسمش را روی اشتباه می‌گذاشت، مثلاً «ریاضیات امپمبا!»
منصفانه بگوییم، شک معلم هم بی‌جا نبود. هر فیزیک‌دانی که چنین ادعایی بشنود، اول دنبال خطا در آزمایش می‌گردد. معلم حق داشت شک کند؛ اشتباهش بستن پرونده بود، پیش از آنکه یک‌بار دو لیوان آب را امتحان کند.
امپمبا آزمایش را با آب ساده تکرار کرد و باز همان نتیجه را گرفت. چند سال بعد مدیر مدرسه از دنیس آزبورن، فیزیک‌دان بریتانیایی دانشگاه دارالسلام دعوت کرد برای دانش‌آموزان سخنرانی کند. در پایان جلسه، امپمبا دست بلند کرد و سؤالی را پرسید که سال‌ها رهایش نمی‌کرد. اگر دو ظرف با حجم برابر آب، یکی ۳۵ و دیگری ۱۰۰ درجه، در یخچال بگذاریم، چرا ظرف ۱۰۰ درجه زودتر یخ می‌زند؟
کلاس احتمالاً انتظار داشت یک «ریاضیات و فیزیک امپمبا»ی دیگر بشنود. آزبورن هم ادعا را بعید دانست، اما برخلاف معلم امپمبا سؤال را جدی گرفت. به دانشگاه برگشت و از تکنسینش خواست آزمایش را تکرار کند. نتیجه شواهدی به نفع پسر نوجوان نشان می‌داد.
یک فیزیک‌دان بریتانیایی پرسش این نوجوان را جدی گرفت و نتیجه آزمایش‌ها او را شگفت‌زده کرد
سال ۱۹۶۹، وقتی امپمبا در کالج مدیریت حیات‌وحش آفریقا در موشی درس می‌خواند، مقاله مشترک او و آزبورن با عنوان «?Cool» در مجله Physics Education منتشر شد؛ نام مقاله آگاهانه با دو معنای واژه‌ی Cool، خنک و باحال، شوخی می‌کرد.
همان سال، جورج کِل از شورای ملی پژوهش کانادا مقاله‌ای درباره‌ی پدیده‌ی یخ زدن آب داغ در ژورنال فیزیک آمریکایی منتشر کرد. وقتی مجله نیوساینتیست هم ماجرا را پوشش داد، سیل نامه‌ها از سراسر جهان سرازیر شد.
مردم از لوله‌های آب گرمی می‌نوشتند که در سرمای ناگهانی زودتر از لوله‌های آب سرد یخ زده بودند و متصدیان پیست‌های یخ که ترجیح می‌دادند زمین را با آب گرم پر کنند. ظاهراً خیلی‌ها پدیده را دیده بودند؛ فقط کسی آن را جدی نمی‌گرفت.
امپمبا پدیده را کشف نکرد؛ بیش از دو هزار سال پیش، ارسطو در کتاب Meteorologica نوشت آبی که از قبل گرم شده، زودتر یخ می‌بندد و به همین دلیل بسیاری از مردم وقتی می‌خواهند آب را سریع خنک کنند، اول آن را زیر آفتاب می‌گذارند.
بیش از دو هزار سال پیش، ارسطو نیز زودتر یخ بستن آب گرم را ثبت کرده بود
ارسطو حتی به ماهیگیران پونتوس، در ناحیه دریای سیاه، اشاره می‌کرد که روی آب‌های یخ‌زده اردو می‌زدند و با شکستن یخ، سوراخ‌هایی برای ماهیگیری باز می‌کردند. آن‌ها دور نی‌هایشان آب گرم می‌ریختند تا زودتر یخ ببندد و نی‌ها را ثابت نگه دارد؛ یخ برایشان نقش سرب در محکم‌کردن نی‌ها را داشت.
توضیح ارسطو با فیزیک امروز جور درنمی‌آمد. او فکر می‌کرد گرما و سرما یکدیگر را پس می‌زنند و سرمای اطراف، آب گرم را با شدت بیشتری محاصره می‌کند. ولی مشاهده‌اش ثبت شد و قرن‌ها بعد دوباره سر برآورد.
فرانسیس بیکن، از پدران روش علمی نیز در قرن هفدهم نوشت آب کمی ولرم آسان‌تر از آب کاملاً سرد یخ می‌زند. رنه دکارت هم در رساله «کائنات جو» خود ادعای مشابهی را آورد. در قرن هجدهم جوزف بلک، شیمی‌دان اسکاتلندی نیز گزارش داد آب جوشیده زودتر یخ می‌بندد.
پس چرا علم چیزی را که ارسطو، بیکن و دکارت گفته بودند فراموش کرد و از زبان نوجوانی تانزانیایی دوباره شنید؟ شاید به‌خاطر ناسازگاری ظاهری‌اش با نظریه‌های جدید گرما و شاید چون فیزیک نیوتنی آن‌قدر قدرتمند و قانع‌کننده شد که هر مشاهده‌ای خلاف شهودش را به‌حساب خطای آزمایشگر گذاشت. روایت معلم امپمبا نمونه‌ای از همین خطر بود؛ جایی که توضیح قانع‌کننده، جای آزمودن یک ادعا را گرفت.
بیایید به استدلال معلم برگردیم. آب داغ برای یخ‌زدن باید از دمای آب ولرم عبور کند، پس نمی‌تواند جلو بیفتد. حلقه‌ی گمشده استدلال، این فرض پنهان بود که دما به‌تنهایی همه چیز را درباره یک لیوان آب می‌گوید.
وقتی آب داغ به ۳۵ درجه می‌رسد، با آبی که از اول ۳۵ درجه بوده تفاوت‌هایی دارد. گذشته‌ی آب می‌تواند بر رفتار بعدی‌اش اثر بگذارد؛ به زبان فیزیک، سیستم «حافظه» دارد. فیزیک‌دان‌ها برای این توضیح تفاوت رفتار دو آب، چندین سازوکار را بررسی و معرفی کرده‌اند .
تبخیر؛ آب داغ بخشی از جرمش را بخار می‌کند. آب کمتر یعنی گرمای کمتری برای انجماد باید گرفته شود و تبخیر خودش هم گرما را با خود می‌برد.
گازهای محلول؛ جوشاندن، مقداری از گازهای حل شده در آب مانند اکسیژن و دی‌اکسیدکربن را بیرون می‌راند و حتی می‌تواند تعادل شیمیایی مواد محلول را تغییر دهد. این تغییرات یکی از توضیح‌های احتمالی برای تفاوت رفتار آب داغ و سرد هنگام یخ‌زدن به شمار می‌روند.
جریان‌های همرفتی؛ تفاوت دما در بخش‌های مختلف آب، جریان‌های درونی می‌سازد. آرایش این جریان‌ها و دمای سطح می‌تواند بر سرعت خروج گرما اثر بگذارد.
ابرسرمایش؛ آب لزوما به‌محض رسیدن به صفر درجه یخ نمی‌زند و گاهی تا چند درجه زیر صفر مایع می‌ماند تا نخستین بلور یخ جوانه بزند. اگر آب سرد بیشتر از آب داغ در این حالت بماند، ممکن است انجمادش دیرتر آغاز شود.
ظرف و یخچال؛ ظرف داغ ممکن است لایه برفک زیرش را آب کند و تماس بهتری با کف سرد فریزر پیدا کند.
فرضیه‌های عجیب‌تری هم مطرح شده، از جمله نقش پیوندهای هیدروژنی میان مولکول‌های آب، ولی درباره سازوکاری عمومی که بتواند اثر امپمبا را در شرایط مختلف توضیح دهد، اجماعی وجود ندارد . مسئله فقط تعدد فرضیه‌ها نیست؛ هنوز شواهد کافی نداریم که مشخص کند کدام توضیح و فرضیه، تحت چه شرایطی واقعاً کار می‌کند.