ב-1969 עולם המדע הופתע ממאמרו של ארסטו מפמבה הטען כי מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים הנמצאים בכלי בעל מימדים זהים, מה שנודע לימים בתור ״אפקט מפמבה״. תופעה זאת איננה מתיישבת עם חוקי מעבר החום הבסיסים, מה שהוביל חוקרים רבים לנסות ולהסביר אותה. לאחר כ-50 שנות מחקר, התפרסם מאמר חדש המראה כי למעשה התופעה איננה קיימת. 'אפקט מפמבה' היא דוגמא מעולה לחשיבות היכולת לבצע ולשחזר ניסויים באופן מדויק, והבעייתיות של הכללת תוצאות של ניסוי ספציפי על תופעה שלמה.

בשנת 1963 במהלך שיעור בישול בתיכון בטנזניה, תלמיד צעיר, ארסטו מפמבה (Erasto Mpemba), הכניס תערובת גלידה חמימה לתוך המקרר הכיתתי. מפמבה שם לב שלמרות שהתערובת שלו הייתה חמה יותר משל חבריו לכיתה כאשר הוכנסה למקרר, היא קפאה מהר יותר משלהם. מפמבה ניסה לבדוק האם הדבר קורה גם עם מים נקיים וערך מספר ניסויים שבהם מתקבלים תוצאות ניסוי יחסית דומות. לאחר כ-6 שנים, בזמן שלמד ניהול חיות בר, ניגש מפמבה בסוף הרצאתו של ד"ר דניס אוסבורן (Denis Osborne) מהקולג' האוניברסיטאי של דאר א-סלאם, ושאל אותו: "למה מים בטמפרטורה של 100 מעלות קופאים מהר יותר ממים בטמפרטורה של 35 מעלות?" [1]. ד"ר אוסבורן לא ידע לפשר העניין וביקש מהטכנאי לבצע ניסוי ולבדוק האם יש אמת בדברי מפמבה. להפתעתו הרבה, הטכנאי חזר עם תשובה חיובית אך בעצמו לא האמין לתוצאות הניסוי ואף אמר: "אנחנו פשוט נחזור על הניסוי עד שנקבל את התוצאות הנכונות".

לאחר מחקר קצר, הוציאו השניים מאמר בשם "Cool?" שבו תיארו במלל חופשי את הסיפור של מפמבה ותוצאות הניסוי [1]. בניסוי, השניים השתמשו בצנצנות של 100 סמ"ק אשר מולאו ב-70 מיליליטר של מים בטמפרטורות שונות והוכנסו למקפיא פשוט. תוצאות הניסוי איששו את התופעה המוזרה: עבור מים מעל 30 מעלות לערך, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר כך זמן הקפיאה קצר יותר.

מתברר שעוד באותה שנה, בצידו השני של העולם, קנדה, ובנפרד ממאמרם של השניים, פרסם פרופ' ג'ורג' קל מאמר אשר הציג את אותה תופעה ואף בצורה מפורטת יותר [2]. יתר על כן, מתברר שמפמבה וקלי לא היו הראשונים שחקרו תופעה זאת, כיוון שהוצגה במגזין סיינס המפורסם עוד ב1940 ע"י וילאס וויטני מחברת GE [3]. במחקר מעמיק אף נמצאו עדויות לציון התופעה בספרים רבים לפני המאה ה-20 כמו בכתביהם של דקארט, בייקון ואף בספרו 'מטאורולוגיה' של אריסטו, כ-1600 שנה לפני מחקרו של מפמבה. התופעה נקראה בסופו של דבר על שמו של המדען הצעיר, "אפקט מפמבה", בשל התזמון הטוב, ההד המדעי ואולי גם הרצון לייצר גיבורים מדעיים.

בואו שניה נלך צעד אחורה וננסה להבין איך זה ייתכן? איך מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים? סטודנט רציונלי שכרגע סיים קורס מעבר חום, יהרהר כאשר ישמע על התופעה, כיוון שנשמע שהינה סותרת את חוקי התרמודינמיקה ומעבר החום. אז נשאל תחילה, למה ובאיזה קצב הטמפרטורה של המים משתנה? חוק האפס של התרמודינמיקה קובע ששתי מערכות צמודות ולא מבודדות ישוו את הטמפרטורה שלהן לאחר זמן מסוים. על כך נוסף חוק פורייה, המראה שקצב מעבר אנרגית החום בין שני חומרים או שתי נקודות שונות באותו החומר פרופורציונלי להפרש הטמפרטורה ביניהם. אם כך, נוכל לגזור שתי מסקנות:

1. קצב מסירת אנרגיית החום של המים, ועקב כך השינוי של הטמפרטורה שלהם, תלוי בהפרש הטמפרטורה בין המים לבין סביבתם.
2. עבור 2 מיכלים הנמצאים באותה סביבה ומכילים את אותם המים אך בטמפרטורות שונות, המיכל עם המים הקרים יותר יגיע לטמפרטורה נמוכה מהר יותר - בסתירה ל'אפקט מפמבה'.

אך אולי ישנן תופעות שונות אשר לא סותרות את החוקים הללו ועדיין יכולות לגרום לאפקט זה. עשרות מאמרים החוקרים את הנושא העלו השערות שונות, אך עולם המדע נותר ללא תשובה מדויקת לפשר התופעה. כמובן, כמו תמיד, מדענים פשוט חייבים למצוא הסבר, ובשנת 2012 החברה המלכותית לכימיה הציעה תחרות בינלאומית לחוקר שיסביר בצורה הטובה ביותר את האפקט. לתחרות הוגשו 22,000 מאמרים, דוחות והצעות, ובסופו של דבר, מפמבה עצמו, ששימש כשופט בתחרות, בחר בניקולה ברגוביץ' כזוכה. ניקולה תיאר את התופעה כשילובן של שתי ההשערות הבאות [4]:

1. ככל שהמים התחילו בטמפרטורה נמוכה יותר כך גדל הסיכוי שהטמפרטורה שלהם תרד מתחת לנקודת הקיפאון (0 מעלות) במקום לקפוא.
2. מפל טמפרטורה חזק מעלה את קצב הסעת החום (מנגנון מעבר חום עקב תנועה של זורם) על ידי שמירה על מפל טמפרטורה בדפנות ובנוסף יכול ליצור מערבולות המעלות את הולכת החום.

זהו? העולם יכול להתיישב ולהירגע? מתברר שמדענים לא יכולים, ומאמרים נוספים המשיכו לנסות להסביר את התופעה [5], כאשר התפנית המפתיעה הגיעה ממאמר סקירה (מאמר המסכם מאמרים רבים בנושא) של הנרי בוריג' ופאול לינדן שפורסם במגזין Nature [6]. במאמר, מציינים החוקרים שאין טעם לעשות ניסויים ולהסביר את התופעה, כיוון שאין באמת ראיות התומכות בכלל בקיום האפקט, ואם נקבץ יחדיו עשרות תוצאות ניסוייות (בדומה למחקרי מטא-אנליזה המקובלות ברפואה), נראה ש'אפקט מפמבה' בכלל לא מתקיים.

רגע, אז מה עם כל המחקרים הקודמים? החוקרים טענו כי בכל המחקרים תוצאות הניסוי תלויות במשתנים שונים, לדוגמא: סוג המים, מיקום המגש במקפיא, מיקום מדי הטמפרטורה וכלי הניסוי. כלומר, מחקרים שונים הציגו תוצאות שונות ואף חלקם הראו כי מים קרים דווקא קופאים מהר יותר ממים חמים. מעבר לכך, במערכות ניסוי בהם מים חמים קפאו מהר יותר, הסיבות לכך נבעו מגורמים חיצוניים כמו הרכב המים וכלי הניסוי. כך למעשה, מחקרים אלו לא עונים על השאלה "למה מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים?" אלא על השאלה "למה במערכת הניסוי הספציפית שנחקרה, מים חמים קופאים מהר יותר ממהר קרים?".

למרות רצון החוקרים להוכיח תופעה שמאתגרת את חוקי התרמודינמיקה וההגיון, הרי שמדובר בתופעה נקודתית שרק בתנאים מסוימים ניתן להשיגה. לכן גילויו והפרכתו של 'אפקט מפמבה' מלמד אותנו, המדענים, את חשיבותו של שיחזור הניסויים וחשיבות יכולת הכללה של מספר מצומצם של ממצאים אמפירים על תופעה שלמה.

מקורות וקישורים לקריאה נוספת:

[1] Cool?

[2] The Freezing of Hot and Cold Water

[3] Freezing of hot and cold water

[4] Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist,

[5] Investigating the Mpemba Effect: When hot water freezes faster than cold water

[6] Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold

[7] סרטון של Sciencium (החברה של veritasium)