Nước nóng có đông đá nhanh hơn nước lạnh không? Câu trả lời trung thực là: đôi khi có vẻ như vậy, nhưng chưa ai chứng minh được một cách chắc chắn và lặp lại được. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Mpemba; nhiều thí nghiệm ghi nhận được, nhiều thí nghiệm cẩn thận khác lại không thấy, và các nhà khoa học vẫn còn tranh cãi cả về việc nó có thật hay không lẫn nguyên nhân nếu nó có thật.
Câu chuyện của một cậu học sinh Tanzania
Năm 1963, Erasto Mpemba, một học sinh ở Tanzania, làm kem trong giờ học nấu ăn. Theo lời kể của chính ông sau này, vì sợ hết chỗ trong tủ đá, cậu cho hỗn hợp sữa còn nóng vào luôn thay vì chờ nguội như các bạn. Kết quả: phần của cậu đông thành kem trước.
Mpemba hỏi thầy giáo thì bị cười. Vài năm sau, khi nhà vật lý Denis Osborne đến thăm trường, cậu lại hỏi câu đó. Osborne làm thử, thấy hiện tượng có xuất hiện trong thí nghiệm của mình, và năm 1969 hai người cùng đăng một bài ngắn trên tạp chí Physics Education. Từ đó, cái tên Mpemba gắn với câu hỏi này.
Câu hỏi thật ra cũ hơn nhiều. Aristotle, trong sách Khí tượng học thế kỷ 4 trước Công nguyên, đã nhắc tới niềm tin rằng nước được đun nóng trước thì đông nhanh hơn. Francis Bacon và René Descartes ở thế kỷ 17 cũng bàn tới. Nhưng bàn tới không có nghĩa là đã được đo đạc nghiêm túc.
Vì sao lại gây ngạc nhiên
Theo trực giác đơn giản, nước nóng phải nguội xuống qua nhiệt độ của nước lạnh rồi mới đi tiếp xuống 0 °C, tức là nó phải đi một quãng đường dài hơn. Nếu hai cốc giống hệt nhau ở mọi mặt trừ nhiệt độ, nước nóng không thể "vượt" nước lạnh.
Chìa khoá nằm ở chữ "giống hệt nhau ở mọi mặt". Nước nóng và nước lạnh không giống nhau ở mọi mặt. Nước nóng bay hơi nhiều hơn, chứa ít khí hoà tan hơn, có dòng đối lưu khác, và có thể làm tan lớp tuyết dưới đáy khay. Mỗi khác biệt ấy đều có thể làm thay đổi kết quả.
Những cách giải thích đã được đưa ra
Các giả thuyết dưới đây đều có cơ sở vật lý, nhưng chưa cái nào được chứng minh là giải thích được mọi trường hợp. Rất có thể nếu hiệu ứng có xảy ra trong một thí nghiệm cụ thể, nó là kết quả của vài cơ chế cộng lại.
| Giả thuyết | Ý chính | Mức thuyết phục |
|---|---|---|
| Bay hơi | Nước nóng mất bớt khối lượng do bay hơi, còn ít nước hơn để làm đông; bay hơi cũng lấy đi nhiệt | Có thật, nhưng tính toán cho thấy thường không đủ lớn để giải thích hết |
| Khí hoà tan | Đun nóng đuổi bớt khí hoà tan; nước ít khí có thể đông theo cách khác | Còn bàn cãi, kết quả thí nghiệm không thống nhất |
| Đối lưu | Nước nóng có dòng đối lưu mạnh, mặt trên nóng hơn đáy, làm mất nhiệt qua mặt thoáng nhanh hơn | Có thể góp phần trong một số cấu hình |
| Quá lạnh (siêu lạnh) | Nước có thể xuống dưới 0 °C mà chưa đông; mẫu nào bắt đầu kết tinh sớm hơn là chuyện khá ngẫu nhiên | Được nhiều người cho là yếu tố lớn, và làm kết quả rất khó lặp lại |
| Tiếp xúc với ngăn đá | Khay nóng làm tan lớp tuyết bám dưới đáy, rồi tiếp xúc trực tiếp với mặt lạnh tốt hơn khay nguội nằm trên lớp tuyết cách nhiệt | Hợp lý trong tủ lạnh gia đình, là lỗi "thí nghiệm không công bằng" |
| Cấu trúc liên kết hydro | Đun nóng làm thay đổi cách sắp xếp phân tử nước, "nhớ" một thời gian | Giả thuyết, chưa có bằng chứng thực nghiệm chắc chắn |
Những thí nghiệm cẩn thận nói gì
Định nghĩa "đông" là gì?
Một nửa cuộc tranh cãi đến từ chỗ không thống nhất cái đích. Có người đo thời gian để nước bắt đầu có tinh thể băng, có người đo thời gian để đông cứng hoàn toàn, có người đo thời gian để nước xuống tới 0 °C. Ba cái đích này cho kết quả rất khác nhau. Một cốc có thể có lớp váng băng trên mặt sớm hơn nhưng đông đặc toàn bộ muộn hơn.
Một nghiên cứu năm 2016
Năm 2016, hai nhà nghiên cứu ở Anh, Henry Burridge và Paul Linden, công bố trên tạp chí Scientific Reports một loạt thí nghiệm được kiểm soát chặt, đo thời gian để nước nguội xuống 0 °C. Họ kết luận rằng không tìm thấy bằng chứng cho một hiệu ứng Mpemba thật sự theo nghĩa đó, và cho rằng một số kết quả "dương tính" trước đây có thể do vị trí đặt cảm biến nhiệt độ. Kết luận của họ cũng bị một số nhà khoa học khác phản biện.
Ở những hệ khác ngoài nước
Thú vị là các nhà vật lý đã tạo được hiện tượng kiểu Mpemba, tức là hệ "nóng hơn" nguội xuống trạng thái mới nhanh hơn hệ "ấm vừa", trong một số hệ được kiểm soát kỹ trong phòng thí nghiệm, ví dụ các hạt rất nhỏ trong chất lỏng được điều khiển bằng laser (một nghiên cứu đăng trên Nature năm 2020). Điều đó cho thấy về nguyên lý, "nóng hơn mà về đích trước" không vi phạm vật lý. Nhưng nó không trả lời được câu hỏi về cốc nước trong tủ lạnh nhà bạn.
Tóm lại, có ba lớp cần phân biệt:
- Đã chắc chắn: trong những điều kiện không đồng đều (khay nóng làm tan tuyết, cốc không đậy nắp bay hơi nhiều), nước ban đầu nóng có thể đông trước nước ban đầu nguội.
- Còn tranh cãi: liệu có hiệu ứng Mpemba "thuần tuý" khi mọi điều kiện khác giống hệt nhau hay không.
- Chưa có bằng chứng: những lời giải thích kiểu "nước có trí nhớ".
Hiểu lầm thường gặp
- "Nước nóng luôn đông nhanh hơn." Sai. Trong phần lớn các thử nghiệm ở nhà, nước lạnh vẫn đông trước. Nếu nước nóng có thắng thì thường là vì điều kiện thí nghiệm không giống nhau.
- "Khoa học đã giải thích xong." Chưa. Bất kỳ bài báo hay video nào nói "đây là lời giải duy nhất" đều đang đơn giản hoá quá mức.
- "Muốn làm đá nhanh thì đổ nước nóng vào khay." Không nên. Kết quả không đáng tin, và cho vật nóng vào ngăn đá làm các thực phẩm xung quanh ấm lên, tủ phải chạy nhiều hơn.
- "Đây là hiện tượng huyền bí." Không có gì huyền bí. Đây là một câu hỏi đo lường khó, vì sự đông đặc của nước nhạy với quá nhiều yếu tố nhỏ.
Liên hệ trong bếp
Câu chuyện Mpemba hay bị dùng để biện minh cho việc cho nồi canh nóng vào tủ lạnh ngay. Thực tế, lời khuyên an toàn thực phẩm là làm nguội thức ăn nhanh rồi bảo quản lạnh, không để thức ăn chín nguội lâu ở nhiệt độ phòng. Cách tốt là chia thức ăn ra hộp nhỏ, nông, để nguội bớt cho hết bốc hơi rồi cho vào ngăn mát. Hộp nhỏ nguội nhanh vì diện tích bề mặt lớn so với thể tích, không phải vì hiệu ứng Mpemba.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Đây là thí nghiệm rất hợp để học cách làm khoa học: kết quả không đoán trước được, và cái quan trọng nhất là kiểm soát biến số.
- Chuẩn bị hai hộp nhựa giống hệt nhau, loại chịu được nước nóng, hoặc hai cốc inox nhỏ giống nhau.
- Người lớn rót vào hộp thứ nhất 100 ml nước ấm nóng khoảng 60–70 °C (nước sôi để nguội bớt vài phút). Hộp thứ hai rót 100 ml nước cùng nguồn đã để nguội bằng nhiệt độ phòng. Dùng cốc đong để lượng nước bằng nhau.
- Đặt hai hộp cạnh nhau, cùng một ngăn đá, trên cùng một loại bề mặt. Tốt nhất kê cả hai lên một tấm bìa mỏng để không hộp nào được tiếp xúc trực tiếp với lớp tuyết.
- Kiểm tra mỗi 10–15 phút, mở tủ nhanh rồi đóng. Ghi lại: lúc nào xuất hiện váng băng đầu tiên, lúc nào đông cứng hoàn toàn (nghiêng hộp không còn nước lỏng).
- Lặp lại ít nhất ba lần, mỗi lần đổi chỗ hai hộp. Có điều kiện thì thử thêm một lần có đậy nắp, một lần không đậy.
So sánh các lần. Nếu kết quả lúc thắng lúc thua, đó chính là điều các nhà khoa học đã gặp: hiện tượng nhạy tới mức những khác biệt nhỏ quyết định ai về trước. Nếu nước nóng luôn thua khi đã kê tấm bìa và đậy nắp, bạn vừa tự kiểm chứng rằng các yếu tố "không công bằng" đóng vai trò lớn.
Lưu ý an toàn: người lớn rót nước nóng; dùng hộp chịu nhiệt; đặt hộp nóng vững chãi để không đổ. Không cầm hộp kim loại đã đông đá bằng tay ướt lâu.
Câu hỏi thường gặp
Hiệu ứng Mpemba là gì?
Là hiện tượng được ghi nhận rằng nước ban đầu nóng đôi khi đông đá nhanh hơn nước ban đầu lạnh. Nó mang tên Erasto Mpemba, cậu học sinh Tanzania nêu ra câu hỏi năm 1963. Hiện tượng này đến nay vẫn còn tranh cãi.
Nước nóng có thật sự đông nhanh hơn nước lạnh không?
Không phải lúc nào cũng vậy, và trong đa số thử nghiệm ở nhà thì nước lạnh đông trước. Khi nước nóng thắng, thường có lý do như bay hơi nhiều hơn hoặc làm tan lớp tuyết để tiếp xúc tốt hơn với ngăn đá.
Vì sao hiệu ứng Mpemba khó kiểm chứng?
Vì sự đông đặc của nước nhạy với rất nhiều yếu tố: lượng bay hơi, khí hoà tan, đối lưu, hiện tượng quá lạnh, vị trí cảm biến và cách định nghĩa "đã đông". Thay đổi nhỏ trong cách làm có thể đảo ngược kết quả.
Ai là người đầu tiên nói nước nóng đông nhanh hơn?
Aristotle đã nhắc tới niềm tin này từ thế kỷ 4 trước Công nguyên; Francis Bacon và Descartes cũng bàn tới. Tên gọi hiện đại đến từ bài báo năm 1969 của Mpemba và nhà vật lý Denis Osborne.
Có nên cho đồ ăn nóng vào tủ đá cho nhanh đông?
Không nên cho cả nồi nóng vào. Hãy chia ra hộp nhỏ, để hết bốc hơi rồi mới cho vào tủ, để không làm ấm các thực phẩm khác và giúp đồ ăn nguội nhanh, an toàn.
