ปรากฏการณ์เอ็มเพมบา เมื่อน้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

ปรากฏการณ์เอ็มเพมบา (Mpemba effect) คือการสังเกตพบว่าของเหลวหรือคอลลอยด์ที่มีอุณหภูมิสูงมาก (เช่น ส่วนผสมไอศกรีม) สามารถแข็งตัวได้เร็วกว่าของเหลวชนิดเดียวกันที่มีปริมาตรและสภาพแวดล้อมใกล้เคียงกันแต่มีอุณหภูมิต่ำกว่า แม้ว่าในทางทฤษฎีพื้นฐานจะดูเหมือนว่าน้ำร้อนต้องใช้เวลาลดอุณหภูมิลงมาให้เท่ากับน้ำเย็นก่อนจึงจะเริ่มแข็งตัวได้ แต่ในทางปฏิบัติกลับพบผลลัพธ์ที่ขัดกับความรู้สึกนี้ในบางกรณี

ปัจจุบันนักฟิสิกส์ยังคงมีความเห็นแตกแยกกันในเรื่องของความสามารถในการทำซ้ำ (reproducibility) คำนิยามที่ชัดเจน และกลไกที่แท้จริงที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้

ประวัติการค้นพบ

ปรากฏการณ์นี้ตั้งชื่อตาม เอราสโต เอ็มเพมบา (Erasto Mpemba) นักเรียนชาวแทนซาเนียที่สังเกตเห็นสิ่งนี้ครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1960 ขณะที่เขากำลังเรียนวิชาทำอาหารในระดับมัธยมศึกษาปีที่ 3 ที่โรงเรียนมัธยม Magamba เขาพบว่าส่วนผสมไอศกรีมที่ร้อนแข็งตัวเร็วกว่าส่วนผสมที่เย็น

ต่อมาเอ็มเพมบาได้พูดคุยกับ ดร. เดนิส ออสบอร์น (Dr. Denis Osborne) จาก University College ในดาร์เอสซาลาม เกี่ยวกับข้อสงสัยที่ว่า หากนำน้ำสองแก้วที่มีปริมาตรเท่ากัน แก้วหนึ่งมีอุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส และอีกแก้วมีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ไปใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำที่ร้อนกว่าจะแข็งตัวก่อน ซึ่งในตอนแรกดร. ออสบอร์นไม่เชื่อ แต่หลังจากทำการทดลองด้วยตนเองเขาก็พบว่าผลลัพธ์เป็นจริงตามที่เอ็มเพมบากล่าว ทั้งสองได้ร่วมกันตีพิมพ์ผลการวิจัยในปี 1969

คำนิยามและความซับซ้อน

การกำหนดนิยามของปรากฏการณ์เอ็มเพมบาในเชิงทฤษฎีมีความหลากหลาย ทำให้การเปรียบเทียบผลการทดลองทำได้ยาก โดยมีประเด็นสำคัญดังนี้:

• นิยามเฉพาะสำหรับน้ำ: มีข้อเสนอว่าหากมีน้ำสองชุดที่มีพารามิเตอร์เริ่มต้นเหมือนกันทุกประการ ยกเว้นอุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกัน น้ำที่ร้อนกว่าจะแข็งตัวเร็วกว่า
• นิยามทั่วไป: ระบบที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจะเข้าสู่สมดุล (equilibrate) ได้เร็วกว่าระบบที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อทั้งคู่ถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (quenched) ไปยังอุณหภูมิต่ำที่เท่ากัน

ปัญหาสำคัญคือคำว่า "การแข็งตัว" อาจหมายถึงจุดที่เริ่มเห็นชั้นน้ำแข็งบางๆ บนผิวหน้า หรือจุดที่ของเหลวทั้งหมดกลายเป็นน้ำแข็งโดยสมบูรณ์

มุมมองทางประวัติศาสตร์

แม้จะถูกตั้งชื่อตามเอ็มเพมบา แต่การสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันมีมาตั้งแต่สมัยโบราณ:

• อริสโตเติล (Aristotle): เคยบันทึกว่าน้ำที่เคยได้รับความร้อนจะแข็งตัวได้เร็วกว่า
• ฟรานซิส เบคอน (Francis Bacon): สังเกตว่าน้ำที่อุ่นเล็กน้อยแข็งตัวได้ง่ายกว่าน้ำที่เย็นจัด
• เรเน เดส์การ์ตส์ (René Descartes): เชื่อมโยงปรากฏการณ์นี้กับทฤษฎีน้ำวน (vortex theory) โดยอธิบายว่าอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วจะระเหยออกไปขณะได้รับความร้อน
• โจเซฟ แบล็ก (Joseph Black): ในปี 1775 ได้ศึกษาเปรียบเทียบน้ำที่ผ่านการต้มกับน้ำที่ไม่ผ่านการต้ม และพบว่าน้ำที่ต้มแล้วแข็งตัวเร็วกว่า แม้จะควบคุมการระเหยแล้วก็ตาม

การทดลองในยุคปัจจุบัน

การศึกษาในปัจจุบันใช้เครื่องแช่แข็งที่มีความแม่นยำสูง และพบว่าปรากฏการณ์นี้มักเกิดขึ้นเมื่อน้ำเกิดการ เย็นยิ่งยวด (supercooling) โดยน้ำที่เริ่มจากอุณหภูมิต่ำกว่ามักจะลดอุณหภูมิลงไปถึงจุดเย็นยิ่งยวดที่ต่ำกว่าก่อนจะเริ่มแข็งตัว ส่งผลให้น้ำที่ร้อนกว่าอาจเริ่มกระบวนการแข็งตัวได้ก่อนในบางสภาวะ

นอกจากน้ำแล้ว ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันยังถูกศึกษาในวัสดุอื่นๆ เช่น โลหะผสมแม่เหล็ก (magnetic alloys), ระบบนาโนแมคคานิกส์ (nanomechanical systems) และระบบควอนตัม (quantum systems)