فیزیک امپمبا، نه فیزیک جهانی: چرا آب داغ گاهی سریع‌تر از آب سرد یخ می‌زند؟

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.

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 رادر مقاله‌ای علمی با جزئیاتنوشت؛ 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 همین منطق، جمله‌ای گفت که بعدها به‌عنوانشناسنامه 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.

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، ارسطودر کتاب Meteorologica نوشتآبی 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.

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 هجدهمجوزف بلک، شیمی‌دان اسکاتلندینیز 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 آبچندین 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 دهداجماعی وجود ندارد. مسئله فقط تعدد فرضیه‌ها نیست؛ هنوز شواهد کافی نداریم که مشخص کند کدام توضیح و فرضیه، تحت چه شرایطی واقعاً کار می‌کند.

سال ۲۰۱۲، انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا مسابقه‌ای عمومی برگزار کرد و از مردم خواست بهترین توضیح را برای اثر امپمبا بفرستند.بیش از ۲۲ هزار نفردر این مسابقه شرکت کردند و نیکولا برگوویچ از دانشگاه زاگرب برنده شد؛ توضیح او ترکیبی از تبخیر، گازهای محلول، همرفت و ابرسرمایش بود.

هنری بریج، پژوهشگر کمبریج، در جریان مسابقه به ماجرا علاقه‌مند شد. او و پل لیندن آزمایش‌هایی کنترل‌شده طراحی کردند و داده‌های پژوهش‌های پیشین را هم کنار هم گذاشتند. سال ۲۰۱۶نتیجه را در Scientific Reportsبا جمله‌ای منتشر کردند که کمتر در مقاله‌های علمی دیده می‌شود: «با کمی تأسف نتیجه می‌گیریم که شواهدی برای مشاهده معنادار اثر امپمبا نیافته‌ایم.» البته آن‌ها وجود اثر امپمبا را در تمام شرایط ناممکن ندانستند.

بررسی آن‌ها نشان می‌داد حتی محل دماسنج در ظرف می‌تواند نتیجه را عوض کند؛ اختلاف ارتفاعی در حد یک سانتی‌متر ممکن بود ظاهری شبیه اثر امپمبا بسازد.

ماجرا صرفا با یک مقاله بسته نشد ومنتقدان دیگری از جمله برگوویچ و جیمز براونریجسراغ تعریف رفتند. بریج و لیندن زمان رسیدن آب به صفر درجه را اندازه گرفته بودند، درحالی‌که امپمبا از یخ‌زدن حرف زده بود. اگر ابرسرمایش و لحظه جوانه‌زدن نخستین بلور یخ جزو ماجرا باشد، محققان با کنارگذاشتنش بخشی تعیین‌کننده از پدیده را حذف می‌کردند.

اختلاف‌ها بر سر تعریف پدیده هنوز ادامه دارد و تازه‌ترین داده‌ها تصویری غافلگیرکننده نشان می‌دهند. در پژوهشی که ۱۶ ژانویه ۲۰۲۶ درمجله RSC Applied Interfacesمنتشر شد، پژوهشگران دانشگاه مینه‌سوتا منحنی سرمایش آب را در ۱۷۶ آزمایش ثبت کردند.

پژوهشگران برای وقوع اثر امپمبا دو توضیح مطرح کردند؛ نوسان جریان‌های هوای اطراف ظرف که می‌تواند سرعت سردشدن نمونه‌ها را تغییر دهد و تفاوت در میزان ابرسرمایش که گاهی باعث می‌شود آب سردتر دیرتر شروع به یخ‌زدن کند.

شاید جواب درست برای آب این باشد که اثر امپمبا و جلو افتادن نمونه داغ‌تر گاهی رخ می‌دهد، ولی قانون ساده و همیشگی‌ای برای «آب داغ زودتر یخ می‌زند» نداریم.

درست وقتی اثر امپمبا در آشپزخانه بر سر دوراهی مانده بود، فیزیک نظری راه تازه‌ای پیش پایش گذاشت. پژوهشگران سؤال را از آب جدا کردند و پرسیدند آیا سیستمی که از حالت داغ‌تر شروع می‌کند، ممکن است زودتر از سیستم خنک‌تر به تعادل با محیط سرد برسد؟ تعریف کلی‌تر، آزمایش‌های تمیزتری را ممکن کرد.

برای فهم شهودی ماجرا، توپی را روی منظره‌ای پر از تپه و دره تصور کنید که می‌خواهد به پایین‌ترین دره برسد. توپی که از فاصله‌ی نزدیک‌تر رها می‌شود ممکن است در گودالی کم‌عمق گیر بیفتد و زمان زیادی آنجا بماند. توپی که از دورتر و بالاتر رها می‌شود، گاهی مسیری پیدا می‌کند که اصلاً از کنار آن گودال نمی‌گذرد.

در حالت دوم فاصله بیشتر می‌شود ولی راه کوتاه‌تر. البته این تصویر را فقط تمثیلی برای مسیرهای متفاوت رسیدن به تعادل بدانید زیرا نتیجه آزمایش از رفتار آماری ذره در تکرارهای بسیار به دست می‌آید.

سال ۲۰۲۰، آویناش کومار و جان بچهوفر از دانشگاه سایمون فریزر در کاناداهمین منظره را در آزمایشگاه ساختند. آن‌ها یک ذره سیلیکا به قطر ۱٫۵ میکرومتر را در آب قرار دادند و با تله نوری لیزری و بازخورد رایانه‌ای، نیروهایی به ذره وارد کردند که معادل حرکت در منظره‌ای با دو چاه انرژی بود؛ یکی کم‌عمق و دیگری عمیق‌تر.

بعد نوبت کوانتوم رسید. در ۲۰۲۴، گروهی در اینسبروک باشبیه‌ساز کوانتومی از یون‌های به‌دام‌افتادهنشان دادند سیستمی که دورتر از حالت متقارن قرار دارد، تقارنش را سریع‌تر بازمی‌یابد. پژوهشگران مؤسسه وایزمن نسخه معکوس را روی یککیوبیت ساخته‌شده از یون استرانسیومدیدند؛ حالت اولیه سردتر زودتر از حالت گرم‌تر به وضعیت نهایی داغ رسید.

ژانویه ۲۰۲۵ هم گروهی چینی درNature Communicationsگزارش کرد که با آماده‌کردن حالت اولیه مناسب در یک یون کلسیم، کندترین مسیر واهلش یعنی بازگشت سیستم به حالت پایدار را حذف کرده و سرعت رسیدن به تعادل را به‌شکل نمایی افزایش داده‌اند.

چرا فیزیک‌دان‌ها به این میان‌برها اهمیت می‌دهند؟ پژوهشگران دانشگاه کیوتو که در سال ۲۰۲۵معیاری جهانی برای تشخیص اثر امپمباارائه کردند، کاربردهایی در بهبود موتورهای گرمایی، فناوری سرمایش، رایانش کوانتومی و زیست‌فیزیک را محتمل می‌دانند. البتهدانشگاه تأکید می‌کندکه این‌ها کاربردهای بالقوه‌اند.

برای کامپیوتر کوانتومی که باید کیوبیت‌هایش را مدام به حالت پایه برگرداند، هر میان‌بر در سردشدن اهمیت زیادی دارد و شاید به‌سرعت بیشتر یا کاهش زمان آماده‌سازی منجر شود. فیزیک امپمبا حالا روی میز آزمایشگاه‌هایی است که با چند اتم کار می‌کنند.

امپمبا هیچ‌وقت فیزیک‌دان نشد. در رشته مدیریت حیات‌وحش درس خواند، بعدها برای ادامه تحصیل به استرالیا و آمریکا رفت و سال‌ها به‌عنوان مأمور حیات‌وحش در وزارت منابع طبیعی و گردشگری تانزانیا کار کرد.

دنیس آزبورن در ۲۰۱۴ درگذشت، ولی گزارش‌ها درباره زمان درگذشت امپمبا یکسان نیستند؛کوانتا به نقل از همسر آزبورنمی‌نویسد او حدود سال ۲۰۲۰ از دنیا رفت. مرگی بی‌سروصدا، برای مردی که نامش در پژوهش‌های فیزیک ادامه پیدا کرد.

شاید هنوز ندانیم در یک لیوان آب دقیقاً چه می‌گذرد. شاید حق با بریج و لیندن باشد و مشاهده اثر امپمبا در آشپزخانه‌ها و بسیاری از آزمایش‌ها بیش از آنکه از قانونی همیشگی پیروی کند، از شانس و شرایط و اتفاقات پیش‌بینی‌ناپذیر حاصل شود.

اما پرسشی که آن نوجوان در کلاس درس مطرح کرد، سرانجام پژوهشگران را به قلمروهایی کشاند که هیچ‌کس در کلاس درس ماگامبا تصورش را هم نمی‌کرد؛ به ذره‌های شیشه‌ای در تله‌های لیزری و اتم‌هایی که در خلأ معلق‌اند.

معلم امپمبا گفته بود: «فیزیک امپمبا، نه فیزیک جهانی» اما تاریخ جمله را برعکس کرد. امروزاثر امپمبادر زبان فیزیک جهانی ثبت شده و نام همان دانش‌آموز تانزانیایی را با خود دارد. دفعه بعد که خواستید یخ درست کنید، دو لیوان پر کنید؛ یکی داغ و یکی ولرم. شاید آب داغ برنده شود و شاید نه، اما به‌جای پذیرفتن جواب، خودتان امتحانش می‌کنید، اراستو امپمبا دقیقاً همین کار را کرد.