Na początku lat 60. ubiegłego wieku Erasto Mpemba, nastolatek z Tanzanii, zaobserwował nietypowe zjawisko – gorąca mieszanina do robienia lodów zamarza szybciej niż ostudzona. Nazwano to „Efektem Mpemby” i od 50 lat naukowcy próbują go wyjaśnić. Opisany proces jest w istocie paradoksalny. Wszak cieplejsze, by się zmrozić, musi najpierw ostygnąć. Chłodne ma „bliżej” do zamrożenia.

Mgr Maciej Jasiński, doktorant z Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych i Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, postanowił zmierzyć się z tym problemem. „Jeśli mrozić, to gorące! Wykorzystanie sorbetu w fizyce i Efektu Mpemby w technologii żywienia” – tak brzmiał tytuł jego projektu, który zdobył w 2015 r. dofinansowanie w ramach konkursu INTER zorganizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Badania realizowali M. Jasiński i dr Dominika Guzek z SGGW. On zajmował się naturą zjawiska, ona jego wykorzystaniem.

– Prawo stygnięcia Newtona mówi, że bardziej gorąca substancja nie może ostudzić się szybciej niż chłodniejsza – tłumaczy Maciej Jasiński. – Tu się pojawia istotny moment, dotyczący nie tyle efektu Mpemby, co zamarzania. Osiągnięcie przez wodę temperatury zera stopni nie gwarantuje zapoczątkowania procesu zamarzania. Woda w tej temperaturze może zamarznąć po minucie, godzinie albo kilku. Co więcej, okazało się, że kilka próbek tej samej wody ma zupełnie inne czasy zamarzania, a także, że próbki mogą być schłodzone do temperatury –12 stopni Celsjusza i być w stanie ciekłym nawet kilka godzin.

Zamarzanie, czyli krystalizacja, to proces stochastyczny, zatem nawet jeśli znane są wszystkie warunki początkowe, np. masa, objętość, temperatura czy ciśnienie, nie można określić po jakim czasie woda zamarznie. M. Jasiński spojrzał zatem na to zagadnienie, wykorzystując wcześniejsze doświadczenia z badań nad oddziaływaniem kwasów nukleinowych przy pomocy symulacji komputerowych.

– W tych badaniach umieszcza się cząsteczkę DNA lub RNA pomiędzy cząsteczkami wody. Mamy kilka modeli obliczeniowych opisujących badane cząsteczki. Wykorzystałem je do badania procesu zamarzania, by sprawdzić, czy da się go w ten sposób badać. Woda to najważniejsze dla nas medium, a wciąż nie jest do końca zbadana. W każdej próbce tej samej wody, wziętej z jednego z źródła, wzajemne ułożenie cząsteczek jest inne. Nie jesteśmy w stanie opisać każdego z nich, a tymczasem od niego zależy proces zamarzania.

Skoro układ cząsteczek jest losowy, zatem ich krystalizacja także. Chaos w chaosie.

Jak się to ma do Efektu Mpemby, z którego wynika, że cieplejsza woda winna zamarznąć wcześniej? Czasami tak się dzieje. „Czasami” jest w tym przypadku określeniem kluczowym. Wprawdzie, jak przyznaje Maciej Jasiński, jest kilka publikacji, których autorzy niby wyjaśniają to zjawisko, ale po krytycznej analizie okazuje się, że albo oparli się na fałszywych przesłankach, albo podali jedynie te przypadki, kiedy cieplejsza woda zamarzła szybciej.

– To jak rzut monetą. Jeśli na pięć rzutów trzykrotnie pod rząd wypadnie orzeł, czy mamy do czynienia z efektem trzech orłów? Do tej pory w żadnej publikacji odnoszącej się do efektu Mpemby nie opisano konkretnej procedury, że „jeśli …, przy takich, a takich parametrach, to…”. Nikt tego do tej pory nie zrobił.

Jasiński uważa, że to sygnał potwierdzający podejrzenia, że Efekt Mpemby jest zjawiskiem losowym i nie da się go sensownie wytłumaczyć.