Физики из разных стран давно изучают необычное явление: чем дальше система находится от равновесия, быстрее его достигает. В термодинамике это проявляется в парадоксальном явлении, когда горячие объекты остывают быстрее холодных.
Этот феномен называют эффектом Мпембы в честь 13-летнего школьника из Танзании, который заметил этот парадокс, когда ставил горячую смесь для мороженого в холодильник. Школьные учителя не смогли объяснить ему эту странность, тогда он обратился к физику Денису Осборну из университета Дар-Эс-Салама. Ученый повторил эксперимент и в 1969 году описал явление в научной статье, указав мальчика в качестве соавтора.
За прошедшие 50 лет ученые много раз обращались к этому эффекту. Обзор применений эффекта Мпембы приводятся в статье, опубликованной в журнале Physics Review X.
После экспериментов с застыванием горячей воды ученые провели опыты с другими материалами и обнаружили, что в них действует тот же принцип. Например, клатратные гидраты, ячеистые структуры из молекул воды, которые используют для улавливания углерода, и полилактидный пластик, используемый для 3D-печати, быстрее перекристаллизовываются при нагревании. Также и некоторые материалы с более сильным магнитным полем размагничиваются быстрее.
Исследователи предложили математическое объяснение для необычного явления, проанализировав все возможные пути, по которым простая система частиц может прийти к равновесию. Оказалось, что чем дальше система находится от равновесия, тем больше путей к нему она может пройти, и некоторые их них оказываются парадоксально короткими.
Недавно физики обнаружили прямые и обратные эффекты Мпембы в одиночных ионах, захваченных лазером. В первом случае горячие ионы нагревались быстрее холодных, во втором — наоборот. Параллельно с этим исследователи изучали, как магнитные поля в квантовых системах перестраиваются после внешнего воздействия. Чем асимметричнее было поле, тем быстрее оно восстанавливало симметрию, подтверждая эффект Мпембы.
Ученые вывели общую схему для описания классических и квантовых эффектов Мпембы, заимствовав терминологию из квантовой теории информации. По их определению, система, которой требуется больше ресурса до достижения цели, может достичь его скорее.
Исследователи уверены, что эффект Мпембы может с повысить эффективность систем охлаждения и нагрева, улучшить атомно-силовую микроскопию, а также ускорить квантовые вычисления и подготовку квантовых состояний.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что популярную привычку связали с высоким риском развития деменции.
