Giải mã hiệu ứng Mpemba: vì sao một số hệ vật chất nóng lại về cân bằng nhanh hơn?

Hiệu ứng Mpemba là một trong những bí ẩn vật lý khiến cả những thí nghiệm tỉ mỉ lẫn quan sát đời thường đều khó đưa ra kết luận dứt khoát: trong vài trường hợp, vật liệu bắt đầu ở trạng thái nóng hơn lại chạm tới trạng thái lạnh hơn nhanh hơn vật thể ban đầu ấm hơn. Bài viết này tổng hợp lịch sử phát hiện, các hướng giải thích, bước tiến thực nghiệm gần đây và những câu hỏi còn bỏ ngỏ—giữ nguyên dữ kiện từ các công trình đã được công bố.

Câu chuyện khởi đầu với Erasto B. Mpemba, một học sinh Tanzania, khi cậu nhận ra hỗn hợp làm kem của mình đông nhanh hơn của bạn bè dù không được làm nguội trước. Năm 1969, Mpemba và nhà vật lý Denis Osborne cùng báo cáo trải nghiệm này trên Physics Education, mở ra tên gọi “hiệu ứng Mpemba” cho hiện tượng mà nhiều người từng quan sát nhưng ít người giải thích được rõ ràng.

Quan sát tương tự đã được ghi lại từ thời Aristotle và tiếp tục xuất hiện trong kinh nghiệm kỹ thuật như những trường hợp ống nước nóng bị vỡ trong mùa đông. Nhưng khi các nhóm thực hiện thí nghiệm có kiểm soát cao, kết quả không nhất quán: một số lần cho thấy nước nóng đóng băng trước, một số lần khác thì không. Nhiều yếu tố nhỏ—từ sự bay hơi đến vị trí đặt cảm biến—làm cho việc tái lập hiện tượng trở nên khó khăn.

Các lời giải thích cạnh tranh nhau bao gồm: (1) nước nóng bị bay hơi nhiều hơn, giảm thể tích cần làm lạnh; (2) nước nóng chứa ít khí hòa tan hơn, làm thay đổi nhiệt độ nơi nước đóng băng; (3) sự tương tác giữa bề mặt và lớp băng ngoài có thể khác nhau, khiến mẫu nóng làm tan lớp băng trên bề mặt nhanh hơn và từ đó dẫn tới mất nhiệt khác biệt. Tất cả những lý luận này cố gắng giải thích một phần dữ kiện, nhưng không tạo nên một thuyết chung thỏa đáng.

Năm 2016, hai nhà khoa học Henry Burridge và Paul Linden thực hiện chuỗi đo đạc cho thấy hiệu ứng có thể xuất hiện hoặc biến mất chỉ vì thay đổi nhỏ trong cách đặt nhiệt kế. Họ quan sát rằng khi hai cốc nước ở cùng độ cao, hiệu ứng Mpemba không xuất hiện; nhưng chỉ cần chênh lệch một centimet, người ta có thể thu được kết quả có vẻ ủng hộ hiện tượng. Kết luận này gợi ý rằng các thí nghiệm về Mpemba rất nhạy cảm với điều kiện thực tế và việc đo lường phải được chuẩn hóa chặt chẽ.

Ngoài ra, hiện tượng “siêu hóa lạnh” (supercooling) — khi nước được làm lạnh dưới 0°C nhưng vẫn chưa đóng băng — cũng đóng vai trò quan trọng. Sự khác biệt trong khả năng siêu hóa giữa mẫu nóng và mẫu lạnh có thể dẫn tới thứ tự đông đá khác nhau, tùy vào hoàn cảnh cụ thể.

Những năm gần đây, nhà nghiên cứu phát hiện ra các dạng tương tự trong nhiều hệ khác: polymer tinh thể, clathrate hydrate, và manganite trong từ trường. Các nhà lý thuyết cũng mô tả khả năng tồn tại của một “hiệu ứng ngược”—tức vật thể lạnh có thể nóng lên nhanh hơn vật đang ấm trước đó. Các kết quả này mở rộng phạm vi quan sát khỏi nước sang những vật liệu phức tạp hơn, cho thấy Mpemba có thể là một đặc tính của các hệ phi cân bằng.

Những nhà nghiên cứu như Lu Zhiyue và Oren Raz phát triển mô hình toán học cho hệ phi cân bằng, cho thấy nếu một hệ bắt đầu ở trạng thái xa điểm cân bằng, nó có thể di chuyển theo một con đường nhanh hơn, tức là “lối tắt”, để đạt tới cân bằng so với hệ ban đầu gần cân bằng hơn. Kết quả lý thuyết năm 2017 (công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences) chứng minh về nguyên tắc sự tồn tại của các điều kiện tạo ra hiệu ứng Mpemba và phiên bản đảo chiều của nó.

Để kiểm tra khái niệm lối tắt trong không gian năng lượng, nhóm của John Bechhoefer cùng các đồng nghiệp đặt một hạt thủy tinh trong một bối cảnh năng lượng nhân tạo do tia laser tạo ra. Bối cảnh này có các “vùng trũng” biểu thị trạng thái ổn định và siêu ổn định. Khi thả hạt ở nhiều vị trí và mức năng lượng khác nhau, họ quan sát được trường hợp: hạt bắt đầu ở trạng thái “nóng” chạm tới vùng ổn định nhanh hơn hạt bắt đầu ở trạng thái ấm hơn—một minh họa thực nghiệm cho hiệu ứng Mpemba trong hệ mẫu giả lập.

Báo cáo đăng trên Nature năm 2020 của một nhóm nghiên cứu mô tả khái niệm “hiệu ứng Mpemba mạnh”, trong đó hệ nóng vượt qua hệ ấm một cách rõ rệt để đạt tới cân bằng. Những kết quả này cho thấy các cơ chế trung gian—liên quan tới cấu trúc của không gian năng lượng hệ—có thể làm tăng tốc quá trình trở về cân bằng cho hệ bắt đầu xa điểm cân bằng.

Dù có bằng chứng mô tả khái niệm và các minh họa thực nghiệm, không phải tất cả nhà nghiên cứu đều bị thuyết phục rằng Mpemba là một quy luật phổ quát hay có ích thực tiễn. Một số nhà khoa học, như Burridge, cho rằng các thí nghiệm hiện nay chưa cung cấp lời giải vật lý thỏa đáng và vẫn thiếu nhận dạng cơ chế duy nhất có thể giải thích mọi trường hợp.

Những khám phá về Mpemba góp phần làm rõ hành vi của các hệ phi cân bằng—một chủ đề trọng yếu trong nhiệt động lực học hiện đại. Xác định các hệ nào có thể tận dụng “lối tắt” để đạt cân bằng nhanh hơn giúp mở cánh cửa cho ứng dụng trong kiểm soát quá trình làm lạnh/điều chỉnh các hệ vật liệu. Tuy vậy, để chuyển từ khám phá cơ bản sang ứng dụng thực dụng, cần nhiều thử nghiệm chuẩn hóa và mô hình hóa chi tiết hơn.

Hiệu ứng Mpemba có luôn xảy ra với nước không?

Không. Các thí nghiệm cho thấy hiệu ứng chỉ xuất hiện dưới những điều kiện cụ thể và rất nhạy cảm với các yếu tố như bay hơi, khí hòa tan và vị trí đặt cảm biến.

Những vật liệu nào đã biểu hiện hiện tượng tương tự?

Những báo cáo đề cập đến polymer tinh thể, clathrate hydrate, một số khoáng chất như manganite và cả dung dịch hạt, cho thấy hiệu ứng không chỉ gói gọn trong nước.

Hiệu ứng Mpemba có ứng dụng thực tế nào chưa?

Cho tới nay, ứng dụng cụ thể vẫn còn hạn chế vì cơ chế chi tiết chưa thống nhất. Tuy nhiên, hiểu được lối tắt tới cân bằng có thể hữu ích trong nghiên cứu vật liệu và điều khiển quá trình nhiệt.

Hiệu ứng Mpemba vẫn là một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn: từ phát hiện bất ngờ của một học sinh tới các mô hình toán lý và thí nghiệm mô phỏng hiện đại, nó mở ra những câu hỏi sâu về cách các hệ phi cân bằng tiến tới trạng thái ổn định. Dù đã có tiến bộ, cộng đồng khoa học vẫn chưa đạt được đồng thuận về cơ chế duy nhất, và đó chính là động lực để các thí nghiệm tỉ mỉ hơn và lý thuyết sắc bén hơn trong tương lai.

Để đổi góc nhìn và hiểu thêm về các sự kiện liên quan tới vật thể rơi từ bầu trời và các vấn đề an toàn liên quan, bạn có thể đọc bài phân tích chuyên sâu mảnh kim loại rơi giữa đô thị Maine: phân tích diễn biến và phản ứng cơ quan chức năng, nơi tác giả mô tả chi tiết sự kiện, phản ứng của lực lượng chức năng và bối cảnh các mảnh vỡ vũ trụ.

Nếu bạn quan tâm đến những biện pháp đơn giản giúp cải thiện sức khỏe hàng ngày như giảm hôi miệng và chăm sóc răng miệng, hãy tiếp tục với hướng dẫn thực tế cách làm hơi thở thơm mát: mẹo dễ áp dụng và khoa học, tổng hợp các biện pháp từ vệ sinh tới lựa chọn thực phẩm hỗ trợ.

Và nếu bạn muốn khám phá các nguồn protein thay thế và các nghiên cứu ở Việt Nam về giải pháp bền vững, bài viết tiềm năng thịt trăn như nguồn protein ít tốn tài nguyên cung cấp phân tích về hiệu quả chuyển đổi thức ăn, nhu cầu nước và phát thải so với các nguồn truyền thống.