אפקט מפמבה: למה מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים
בשנת 1963 עמד נער בן שלוש עשרה בשם ארסטו מפמבה ליד המקפיא של בית הספר שלו בטנזניה, מדינה במזרח אפריקה, עם קערת תערובת חמה ביד לשם יצירת גלידה. כל התלמידים חיכו בסבלנות שהתערובת החמה שלהם תתקרר קודם, אבל מפמבה פחד שלא יישאר לו מקום פנוי במקפיא הקטן, ופשוט דחף את הקערה שלו ישר פנימה. כעבור שעה וחצי קרה משהו מוזר: הגלידה שלו כבר הייתה קפואה, בזמן שהתערובות של חבריו הזהירים יותר עדיין היו נוזליות. מפמבה חזר על הניסוי, וקיבל שוב אותה תוצאה.
כשהוא פנה למורה לפיזיקה שלו כדי לשאול איך זה יכול להיות, כל מה שהוא קיבל היה נזיפה: "התבלבלת, זה לא יכול לקרות". מפמבה לא ויתר. הוא שמע מחבר שמוכר גלידה בעיר טנגה, שגם המבוגרים במקצוע נוהגים להכניס נוזלים חמים למקפיא כי הם קופאים מהר יותר, מנהג ותיק שאף אחד לא טרח להסביר. כשהוא עבר לתיכון אחר ולמד את חוק הקירור של ניוטון, שלפיו מים חמים תמיד אמורים לקחת יותר זמן להגיע לאפס מעלות, הוא המשיך לשאול, ועם הזמן זה הפך לבדיחה קבועה בכיתה: "זו הפיזיקה של מפמבה, לא של כולם".
המפנה הגיע כשמורה לפיזיקה בשם ד"ר דניס אוסבורן ביקר בבית הספר. מפמבה שאל אותו: אם לוקחים שני כלים זהים עם מים, אחד בחום של 35 מעלות והשני ב-100 מעלות, ומכניסים את שניהם למקרר, למה דווקא זה שהיה חם יותר קופא ראשון? בניגוד למורים הקודמים, אוסבורן לא דחה את השאלה. הוא בדק את זה בעצמו, ולהפתעתו הניסוי חזר על עצמו שוב ושוב. בשנת 1969 השניים פרסמו יחד מאמר קצר, בשם "קריר?", מילה שיכולה להתפרש גם כ"מגניב?". מה שהיה בדיחת כיתה הפך לשאלה לגיטימית, ומאז התופעה נקראת "אפקט מפמבה".
תופעה עתיקה שמתעתעת במדענים
מפמבה לא היה הראשון ששם לב לתופעה הזאת, הוא רק זה שהחזיר אותה לתשומת לב. כבר לפני אלפי שנים כתב הפילוסוף היווני אריסטו שמים שחוממו קודם קופאים מהר יותר, ולכן אנשים שרוצים לקרר מים במהירות מניחים אותם קודם בשמש. גם הוגה אנגלי בשם פרנסיס בייקון כתב בשנת 1620 דבר דומה, וכך גם הוגה צרפתי בשם רנה דקארט. אף אחד מהם לא הסביר למה זה קורה, הם רק תיארו את מה שראו במו עיניהם.
וזה בדיוק מה שהופך את הסיפור למעניין: איך יכול להיות שתופעה שנצפתה כבר לפני מאות שנים, על ידי אנשים שונים לגמרי, עדיין לא הוסברה עד הסוף? יש לזה טיעון הגיוני שנשמע משכנע אבל מתברר כשגוי: אם מים ב-30 מעלות לוקח להם עשר דקות לקפוא, ומים ב-70 מעלות צריכים קודם להתקרר ל-30 מעלות ורק אז לחכות עוד עשר דקות, הם אמורים לקחת יותר זמן בסך הכל. הבעיה היא שהטיעון הזה מניח שמים מאופיינים רק בדבר אחד, הטמפרטורה.
בפועל, מים שהתחילו חמים והתקררו ל-30 מעלות יכולים להיות שונים לגמרי ממים שהיו קרים מלכתחילה באותה טמפרטורה בדיוק. ההבדל נמצא במשקל שלהם, כי חלק מהמים התאדה; בכמות האוויר המומס בתוכם; בזרמים פנימיים שמערבבים את החום בתוך הכלי; ואפילו בסביבה הפיזית שמסביב לכלי בתוך המקרר. במילים פשוטות: הטמפרטורה לבד היא לא כל הסיפור, ויש עוד גורמים נסתרים שמשפיעים על התוצאה.
כשהניסויים המדעיים סותרים זה את זה
בשנת 2016 שני חוקרים מבריטניה, הנרי בורידג' ופול לינדן, החליטו לבדוק את הנושא בעצמם. הם ערכו ניסוי שבו מדדו כמה זמן לוקח למים בשלוש טמפרטורות שונות, כ-22, 57 ו-85 מעלות, להגיע לאפס מעלות, בכוסות זהות שהונחו במקפיא רגיל. התוצאה הפעם הייתה הפוכה לגמרי: ככל שהטמפרטורה ההתחלתית הייתה גבוהה יותר, כך לקח יותר זמן למים להתקרר, בדיוק כמו שההיגיון הפשוט אומר.
החוקרים גם אספו נתונים משמונה מחקרים נוספים, וגילו שברוב המקרים שבהם דיווחו על אפקט מפמבה, ההבדל היה קטן מאוד, כזה שיכול לנבוע בקלות מטעות מדידה פשוטה, כמו ס"מ אחד בהפרש במיקום המדחום בתוך המים. המסקנה שלהם נוסחה בזהירות: "אנו מסיקים שאין ראיות מספיקות שתומכות בכך שהתופעה הזו קיימת באמת". אחד מהם הוסיף שהוא קורא כל פעם מחדש את הניסויים בנושא, ופשוט לא משתכנע.
קשה להגיע להסכמה בנושא כי יש כמה הסברים אפשריים, ולכל אחד מהם יש ניסוי שסותר אותו. יש כאלה שאומרים שהאדים שיוצאים מהמים החמים מקטינים את כמות המים; יש שאומרים שזה קשור לאוויר שמומס במים; אחרים מדברים על זרמים פנימיים שיוצרים "ראש חם" בפני השטח; ויש גם מצב מיוחד שבו מים יורדים מתחת לאפס מעלות בלי לקפוא בפועל, כי חסר להם משהו שיגרום להם להתחיל להתגבש.
מהמקפיא הביתי לפיזיקה הקוונטית
רק בשנת 2017 הציעו שני חוקרים, אורן רז וזִ'יווֱה לו, הסבר שונה מכל מה שניסו קודם. הם הראו, לפי חישובים מתוך תחום שנקרא מכניקה סטטיסטית, שזה ענף בפיזיקה שמנסה להבין איך המון חלקיקים זעירים מתנהגים ביחד, שמערכת שנדחפת רחוק מאוד ממצב יציב יכולה למצוא לפעמים דרך קיצור מוזרה להגיע ליעד, בעוד שמערכת שמתחילה קרובה יותר דווקא נתקעת בדרך איטית יותר.
כדי לבדוק את זה בפועל, הם פנו לחוקר נוסף בשם ג'ון בכהופר, שבנה יחד עם צוותו ניסוי מעניין: חרוז זכוכית זעיר, שמייצג חלקיק בודד, הונח בתוך "נוף" שנוצר מקרני לייזר, עם שני שקעים, אחד עמוק ויציב ואחד רדוד וזמני. במערכת "חמה" החרוז יכול היה להתחיל בכל מקום, ובמערכת "פושרת" הוא היה מוגבל לאזור קטן בלבד. בתנאים מסוימים, החרוזים שהתחילו "חמים" יותר הגיעו למנוחה מהר יותר בצורה קיצונית.
התוצאה הזו פורסמה בכתב עת מדעי בשם Nature, ומחקר המשך של אותה קבוצה הראה גם את הכיוון ההפוך: חלקיק קר שמתחמם מהר יותר מחלקיק חם. חוקרים ממכון בישראל מצאו תופעה דומה גם ביונים בודדים שנשמרים במלכודות לייזר, טכנולוגיה שמשמשת לבניית מחשבים מתקדמים. עד היום אף אחד לא הצליח להוכיח בוודאות שהתופעה קורית גם במים רגילים, בדיוק כמו שמפמבה תיאר. השאלה אם מים חמים באמת קופאים מהר יותר עדיין פתוחה, ומזכירה לנו שגם היום יש דברים פשוטים לכאורה שאין להם הסבר סופי.
תגובות
היו הראשונים להגיב!