가장 쉬운 실험 중 하나 인 것 같습니다. 물 2 컵, 뜨거운, 1 개의 추위를 가져 가십시오. 냉동실에 놓고 먼저 얼어 붙는 것을 기록하십시오. 상식은 추운 물이 의지가 될 것이라고 제안합니다. 그러나 아리스토텔레스, 르네 데카르트, 프랜시스 베이컨 경을 포함한 조명은 모두 온수가 실제로 더 빨리 식 으면서 관찰했습니다. 마찬가지로, 배관공은 넓은 날씨에 따뜻한 물 파이프가 터지는 반면 차가운 날씨는 그대로 남아 있습니다. 그러나 반세기가 넘게 물리학 자들은 이와 같은 일이 실제로 발생하는지에 대해 논쟁 해 왔습니다.
냉수보다 더 빠른 온수 얼어 붙는 현대 용어는 Mpemba 효과로, 물리학 자 Denis Osborne과 함께 1960 년대에 IT의 최초의 체계적인 과학 연구를 수행 한 탄자니아 십대 인 Erasto Mpemba의 이름을 따서 명명되었습니다. 그들이 효과를 관찰 할 수 있었지만, 후속 실험은 그 결과를 지속적으로 복제하지 못했습니다. 동결을 조사하기위한 정밀 실험은 많은 미묘한 세부 사항에 의해 영향을받을 수 있으며, 연구자들은 종종 모든 혼란스러운 변수를 설명했는지 여부를 결정하는 데 어려움을 겪습니다.
지난 몇 년 동안, MPEMBA 효과가 물에서 발생하는지 여부에 대한 논쟁이 계속됨에 따라, 현상은 다른 물질에서 발견되었습니다 - 결정질 중합체, 클라스 레이트 수화물이라 불리는 아이셀과 같은 고형물, 자기장에서의 망간 광물 냉각. 이 새로운 방향은 연구자들이 열역학적 평형을 벗어난 시스템의 복잡한 역학을 엿볼 수 있도록 도와줍니다. 평형 외 시스템을 모델링하는 물리학 자의 파견단은 MPEMBA 효과가 다양한 재료에서 발생해야한다고 예측했습니다 (냉간 물질이 따뜻한 물질보다 더 빨리 가열되는 역수와 함께). 최근의 실험은 이러한 아이디어를 확인하는 것으로 보입니다.
그러나 모두의 가장 친숙한 물질 인 물은 가장 미끄러운 것으로 판명되고 있습니다.
캐나다의 사이먼 프레이저 대학교 (Simon Fraser University)의 물리학자인 존 비호퍼 (John Bechhoefer)는“냉장고에 갇힌 물 한 잔은 단순 해 보인다”고 말했다. "하지만 생각을 시작하면 실제로 그렇게 간단하지 않습니다."
‘일어날 수 없음’
"제 이름은 Erasto B. Mpemba이며, 냉장고를 잘못 사용했기 때문입니다." 따라서 Journal Physics Education 에서 1969 년 논문을 시작합니다. Mpemba는 탄자니아의 Magamba Secondary School에서 그와 그의 반 친구들이 아이스크림을 만들었을 때 사건을 묘사했습니다.
학생들의 냉장고에서 공간이 제한되었고, 마지막으로 사용 가능한 얼음 트레이를 NAB로 돌진하면서 Mpemba는 다른 학생들이했던 것처럼 실온으로 냉각하기 위해 삶은 밀크와 서거 칵테일을 기다리는 것을 건너 뛰기로 결정했습니다. 1 시간 반 후에, 그의 혼합물은 아이스크림으로 얼어 붙은 반면, 그의 환자 급우들의 사람들은 두꺼운 액체 슬러리로 남아있었습니다. Mpemba는 물리 교사에게 왜 이런 일이 발생했는지 물었을 때“당신은 혼란 스러웠습니다. 그것은 일어날 수 없습니다.”
나중에 Osborne은 Mpemba의 고등학교 물리학 수업을 방문했습니다. 그는 십대가 손을 들고 손을 들고 물었다.“35 ° C에서, 다른 하나는 100 ° C에서 같은 양의 비커를 가져 와서 100 ° C에서 처음 시작한 냉장고에 넣습니다. 왜?" 흥미로운 Osborne은 Mpemba를 Dar Es Salaam의 University College에 초대하여 기술자와 함께 일하면서 Mpemba의 이름을 부여하는 효과에 대한 증거를 찾았습니다. 그럼에도 불구하고 Osborne은 테스트가 조잡하고 더 정교한 실험이 어떻게 진행되고 있는지 알아 내기 위해 더 정교한 실험이 필요하다고 결론을 내 렸습니다.
.수십 년 동안 과학자들은 MPEMBA 효과를 설명하기 위해 다양한 이론적 설명을 제공했습니다. 물은 이상한 물질이며, 액체보다 고체 될 때 밀도가 낮고 동일한 온도에서 공존 할 수있는 고체 및 액체 상이 있습니다. 일부는 가열수가 샘플에서 물 분자 사이의 약한 극성 수소 결합 네트워크를 파괴하여 장애를 증가시킨 다음 샘플을 냉각시키는 데 걸리는 에너지의 양을 낮 춥니 다. 더 평범한 설명은 온수가 추위보다 빠르게 증발하여 양이 줄어들어 얼기 위해 시간이 걸린다는 것입니다. 냉수는 또한 용해 된 가스를 더 함유하여 동결 지점을 낮출 수 있습니다. 또는 아마도 외부 요인이 작용합니다. 냉동실의 서리 층은 절연체 역할을 할 수있어 차가운 컵에서 열이 새지 않도록하는 반면 뜨거운 컵은 서리를 녹이고 더 빨리 식 힙니다.
이러한 설명은 모두 그 효과가 실제라고 가정합니다. 뜨거운 물은 차갑보다 더 빨리 얼어 붙습니다. 그러나 모든 사람이 확신하는 것은 아닙니다.
2016 년, 런던 임페리얼 칼리지의 물리학자인 헨리 버리지 (Henry Burridge)와 케임브리지 대학 (Cambridge)의 수학자 폴 린든 (Paul Linden)은 측정의 세부 사항에 얼마나 민감한지를 보여주는 실험을 수행했습니다. 그들은 뜨거운 물이 먼저 얼음 결정을 형성 할 수 있지만 완전히 얼어 붙는 데 시간이 더 걸릴 수 있다고 추측했다. 이 두 사건 모두 측정하기가 어렵 기 때문에 Burridge와 Linden은 대신 섭씨 제로에 도달하는 데 물이 얼마나 걸렸는지 주목했습니다. 그들은 판독 값이 온도계를 배치 한 위치에 의존한다는 것을 발견했습니다. 그들이 같은 높이에서 뜨거운 컵과 차가운 컵 사이의 온도를 비교하면 mpemba 효과가 나타나지 않았습니다. 그러나 측정이 센티미터조차 꺼진다면 MPEMBA 효과에 대한 잘못된 증거를 생성 할 수 있습니다. Burridge와 Linden은 문헌을 조사하면서 Mpemba와 Osborne만이 고전적인 연구에서 MPEMBA 효과가 이러한 종류의 측정 오류에 기인 할 때도 두드러진 것을 발견했습니다.
.Burridge는“동결 과정을 포함하지 않더라도 이러한 실험이 얼마나 민감한 지 강조한다”고 말했다.
이상한 바로 가기
그러나 많은 연구자들은 적어도 특정 조건에서 MPEMBA 효과가 발생할 수 있다고 생각합니다. 결국, 아리스토텔레스는 기원전 4 세기에“많은 사람들이 물을 빨리 식히고 싶을 때 햇볕에 넣는 것으로 시작하는 것”이라고 썼다. 학령기 Mpemba는 비슷하게 얼어 붙은 아이스크림과 반 친구들의 슬러리 사이의 불완전한 차이를 관찰 할 수있었습니다. 그럼에도 불구하고 Burridge와 Linden의 연구 결과는 MPEMBA 효과가 실제 유무에 관계없이 고정하기가 어려울 수있는 주요 이유를 강조합니다. 온도는 물이 평형을 벗어 났기 때문에 빠르게 냉각 된 물 한 잔마다 다양하며 물리학 자들은 평등 외 시스템에 대해 거의 이해하지 못합니다.
.평형에서 병의 유체는 온도, 부피 및 분자 수의 세 가지 매개 변수를 가진 방정식으로 설명 할 수 있습니다. 그 병을 냉동실에 밀어 넣고 모든 베팅이 해제됩니다. 바깥 쪽 가장자리의 입자는 얼음 환경으로 뛰어 들어 더 깊은 사람들은 따뜻하게 유지됩니다. 온도 및 압력과 같은 라벨은 더 이상 잘 정의되지 않고 끊임없이 변동합니다.
노스 캐롤라이나 대학교 (University of North Carolina)의 Zhiyue Lu가 중학교의 Mpemba 효과에 대해 읽었을 때, 그는 중국 산동 지방의 석유 정유소에 뛰어 들었고, 그의 어머니는 일을하고 정밀 실험실 장비를 사용하여 물 샘플에서 시간을 측정하기 위해 온도를 측정했습니다 (그는 얼지 않고 물을 냉각 시켰습니다). 나중에, 대학원생으로서 비평 형 열역학을 연구하면서 그는 MPEMBA 효과에 대한 그의 접근 방식을 재구성하려고 노력했습니다. "다음을 금지하는 열역학적 규칙이 있습니까? 그는 물었다.
Lu는 현재 이스라엘 Weizmann Science Institute of Science에서 비평 형 통계 역학을 연구하는 Oren Raz를 만났으며, 물뿐만 아니라 MPEMBA 효과를 일반적으로 조사하기위한 프레임 워크를 개발하기 시작했습니다. National Academy of Sciences의 절차에서 2017 년 논문 입자의 무작위 역학을 모델링하여 원칙적으로 MPEMBA 효과와 그 역이 발생할 수있는 비평 형 조건이 있음을 보여줍니다. 추상 결과는 더 많은 에너지를 가짐으로써 더 인기있는 시스템의 구성 요소가 더 많은 가능한 구성을 탐색 할 수 있고 따라서 일종의 우회 역할을하는 상태를 발견하여 핫 시스템이 차가운 최종 상태를 향해 차가운 시스템을 추월 할 수 있도록하는 상태를 발견 할 수 있다고 제안했다.
.Raz는“우리 모두는 온도가 단조로 변해야한다는이 순진한 그림을 가지고 있습니다. "고온에서 시작한 다음 중간 온도에서 시작하여 저온으로갑니다." 그러나 평형에서 벗어난 무언가에 대해“시스템에 온도가 있다고 말하는 것은 사실이 아닙니다.”그리고“이 경우 이상한 바로 가기를 가질 수 있기 때문에”
.생각을 자극하는 작업은 과립 유체라고 알려진 것을 시뮬레이션하기 시작한 스페인 그룹을 포함하여 다른 사람들의 관심을 끌었습니다. 모래 나 씨앗과 같이 액체처럼 흐를 수있는 강성 입자의 수집은 이들도 mpemba와 같은 효과를 가질 수 있음을 보여주었습니다. 버지니아 대학교의 통계 물리학자인 마리야 푸켈 자 (Marija Vucelja)는 현상이 얼마나 흔한 지 궁금해하기 시작했습니다. "이것은 건초 더미에 바늘이 있습니까, 아니면 최적의 가열 또는 냉각 프로토콜에 유용 할 수 있습니까?" 그녀는 물었다. 2019 년 연구에서 그녀, Raz와 두 명의 공동 저자는 MPEMBA 효과가 유리와 같은 무질서한 물질의 상당 부분으로 나타날 수 있음을 발견했습니다. 물은 그러한 시스템이 아니지만 그 결과는 엄청난 다양한 가능한 재료를 다루었습니다.
이러한 이론적 인 직감이 실제 근거를 가지고 있는지 여부를 조사하기 위해 Raz와 Lu는 실험가 인 Bechhoefer에 접근했다. Bechhoefer는 회상했다.
풍경 탐색
실험 설정 Bechhoefer와 그의 공동 작업자 Avinash Kumar는 다른 힘의 영향을받는 입자 수집에 대한 개념적이고 박탈 된 모습을 제공했습니다. 입자를 나타내는 미세한 유리 비드는 레이저를 사용하여 생성 된 W 자형 "에너지 환경"에 배치됩니다. 이 풍경의 두 계곡 중 깊은 곳은 안정적인 휴식 장소입니다. 얕은 계곡은“주목할만한”상태입니다. 입자가 들어갈 수 있지만 결국 더 깊은 우물에 빠질 수 있습니다. 과학자들은이 풍경을 물에 담그고 광학 핀셋을 사용하여 유리 구슬을 1,000 시간 내에 배치했습니다. 총체적으로 시험은 입자 1,000 개의 시스템과 동일합니다.
처음에는 "뜨거운"시스템은 유리 구슬이 어디에나 배치 될 수있는 시스템이었습니다. 뜨거운 시스템에는 더 많은 에너지가 있고 더 많은 풍경을 탐색 할 수 있기 때문입니다. "따뜻한"시스템에서 시작 위치는 계곡에 가까운 작은 영역에 국한되었습니다. 냉각 과정에서, 유리 비드는 먼저 두 개의 우물 중 하나에 정착 한 다음, 물 분자에 의해 뷔페를 뿌린 더 긴 기간 동안 그들 사이에서 앞뒤로 점프했습니다. 냉각은 유리 비드가 각 웰에서 특정 시간을 소비하는 것으로 안정화 될 때 완전한 것으로 간주되었다. 예를 들어, 안정적인 시간의 주변 시간의 20%와 80%와 같은 시간의 20%가있다. (이 비율은 물의 초기 온도와 계곡 크기에 의존했습니다.)
특정 초기 조건의 경우 핫 시스템은 따뜻한 시스템보다 최종 구성에 정착하여 직관과 일치하는 데 시간이 오래 걸렸습니다. 그러나 때로는 핫 시스템의 입자가 우물에 더 빨리 정착했습니다. 실험 매개 변수가 바로 조정되었을 때, 핫 시스템의 입자는 거의 즉시 최종 구성을 발견하여 Raz, Vucelja 및 동료들이 강력한 MPEMBA 효과를 예측하고 이름을 지은 상황 인 따뜻한 시스템보다 기하 급수적으로 더 빨리 냉각되었습니다. 그들은 결과를 2020 자연에서보고했다 종이 및 PNAS에서 역 MPEMBA 효과를 보여주는 유사한 실험을 발표했습니다. 올해 초.
스페인 그라나다 대학교의 Raúl Rica Alarcón은 Mpemba 효과와 관련된 독립적 인 실험을 진행하고있는“결과는 분명하다”고 말했다. "그들은 대상에서 멀리 떨어진 시스템이 목표에 더 가까운 다른 목표보다 더 빨리이 목표에 도달 할 수 있음을 보여줍니다."
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그러나 모든 사람이 MPEMBA 효과가 어떤 시스템에서도 입증되었다고 완전히 설득되는 것은 아닙니다. Burridge는“저는 항상이 실험을 읽었으며 글쓰기에 깊은 인상을받지 않습니다. "나는 명확한 신체적 설명을 찾지 못했고, MPEMBA와 같은 효과가 의미있는 방식으로 존재하는지에 대한 흥미로운 질문을 남길 것이라고 생각합니다."
.Bechhoefer의 시험은 준 안정 상태가있는 시스템에서 MPEMBA 효과가 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 통찰력을 제공하는 것으로 보이지만, 그것이 유일한 메커니즘이든, 어떤 특정 물질이 그러한 평형이없는 가열 또는 냉각을 어떻게 받는지 여부에 대한 통찰력을 제공하는 것으로 보입니다.
.물에서 현상이 발생하는지 결정하는 것은 또 다른 열린 질문으로 남아 있습니다. 4 월, Raz와 그의 대학원생 Roi Holtzman은 MPEMBA 효과가 2 차 위상 전이를 겪는 시스템에서 LU와 함께 묘사 한 관련 메커니즘을 통해 MPEMBA 효과가 발생할 수 있다는 논문을 게시했습니다. 즉, 고체 및 액체 형태가 같은 온도에서 공존 할 수 없음을 의미합니다. 물은 그러한 시스템이 아니지만 (1 차 위상 전환이 있음) Bechhoefer는 그 작업이 물에 대한 답변에 점차 몰래 들어가는 것으로 묘사했습니다.
.다른 것이 없다면, MPEMBA 효과에 대한 이론적 및 실험적인 연구는 물리학 자들이 다른 방법으로 부족한 비 Quilibrium 시스템에 대한 손을주기 시작했습니다. Raz는“평형에 대한 이완은 솔직히 말해서 우리에게는 좋은 이론이 없다는 중요한 질문입니다. 어떤 시스템이 이상하고 반 직관적 인 방식으로 행동 할 수있는 시스템을 식별하면 "시스템이 평형을 향해 휴식을 취하는 방법에 대한 훨씬 더 나은 그림을 제공 할 것입니다."
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Mpemba 자신은 십대 심문과 수십 년 동안 논쟁을 불러 일으킨 후 야생 동물 관리를 공부하여 은퇴하기 전에 탄자니아의 천연 자원 및 관광부의 주요 게임 담당관이되었습니다. Denis Osborne의 미망인 인 Christine Osborne에 따르면, Mpemba는 2020 년경에 세상을 떠났습니다. 과학은 그의 이름을 부여하는 효과에 대한 그의 주장에서 계속 튀어 나옵니다. Osborne은 그들의 조사 결과를 함께 합의한 초기 회의론에서 교훈을 얻었으며 남학생의 반 직관적 인 주장이 다음과 같이 직면했다.“그것은 권위주의 물리학의 위험을 가리 킵니다.”
