Sıcak Suyun Soğuk Sudan Daha Hızlı Donduğu İddiası Daha Tuhaflaştı

Bu durum, fizikteki en eski gizemlerden birini açıklayabilir.

Fizikteki en muazzam çelişki gibi gelmesine rağmen, sıcak su belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donuyor gibi görünüyor. Bu olgunun izleri, Aristo’ya kadar takip edilebilir, fakat bu olguyu gösteren deneylerin yüzyıllar boyunca yapılmasından sonra, kimse bunu açıklayamıyordu.

Şimdi fizikçiler, fizikteki en eski gizemlerden birinin çözümü olarak, hidrojen bağlarının tuhaf özelliklerine işaret ediyor; ancak diğerleri, sözde Mpemba etkisinin mevcut bile olmadığını iddia ediyorlar.

Mpemba etkisinin arkaplanına biraz bakacak olursak, bu olgu, Aristo’nun bunu ilk defa 2000 yıldan fazla süre önce fark etmesinden bu yana fizikçileri şaşırtıyor.

Francis Bacon ve Rene Descartes gibilerinden gelen benzer açıklamalar sonrasında, Tanzanyalı bir okul çocuğunun dondurma yaparken bu etkiyi farketmesi sayesinde, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donma olasılığı nihayet 1960’larda geniş ölçüde kabul gördü.

Erasto Mpemba ile okul arkadaşları genelde sütü kaynatarak ve onu şeker ile karıştırarak ve bunu dondurucuya yerleştirmeden önce soğumaya bırakarak dondurma yapıyordu.

Bir gün, Mpemba sabırsızlandı ve karışımını dondurucuya koymadan önce soğumaya bırakmak yerine, hâlâ kaynayan sütü içeri yerleştirdi ve en iyisinin olmasını umdu.

Kendisinin dondurması, herkesi şaşkınlığa uğratan bir şekilde, akranlarınınkinden daha hızlı hazır oldu ve Mpemba 1969’da besbelli olan bu olguyu tanımlayan bir tez yayınlamak için bir fizik profesörü ile ekip oluşturdu.

Fakat Mpemba etkisi ile ilgili büyük bir sorun bulunuyor. Bu etki az çok kabul edilen bir gerçek olsa da, fizikçiler bunun nasıl işlediği hakkında fikir birliğine varamıyorlar, çünkü soğuk suyun zaten devasa bir üstünlüğü varken, nasıl oluyor da sıcak su, donma noktasına soğuk sudan daha hızlı şekilde ulaşıyor?

Ayrıca, geçmeyen bir tekrarlama sorunu da var.

Mpemba etkisini, güvenli ve tutarlı bir şekilde tekrarlama girişimleri başarısız oldu, fakat bunun hepten çürütülmesini önleyecek miktarda tutarsız bulgu var.

2012 yılında, Kraliyet Kimya Derneği, bilim insanlarından olguyu açıklamalarını isteyen bir yarışma düzenlemişti ve bütün dünyadan yaklaşık 22.000 tez gönderilmesine rağmen, açıklamalardan hiçbiri tek başına geniş bir fikir birliği oluşturacak kadar ikna edici değildi.

Signe Dean’ın geçen sene bizler için bildirdiği üzere:

“EN ÇOK ÖNE SÜRÜLEN HİPOTEZ … SICAK SUYUN DAHA HIZLI BUHARLAŞMASI, KÜTLE KAYBETMESİ VE BU YÜZDEN DONMAK İÇİN DAHA AZ ISI KAYBETMEYE İHTİYAÇ DUYMASI. ANCAK BİLİM İNSANLARI, MPEMBA ETKİSİNİ, BUHARLAŞMANIN GERÇEKLEŞMEDİĞİ KAPALI KAPLARLA DA GÖSTERMİŞLERDİ.

BİR DİĞER KURAMSAL TAHMİN DE, SUYUN ISIYAYMA AKIMLARI GELİŞTİRMESİ VE SICAKLIĞIN, SU SOĞUDUKÇA AŞAMALI ŞEKİLDE DEĞİŞMESİ.

HIZLI ŞEKİLDE SOĞUYAN BİR BARDAK SICAK SU, BU SÜRE BOYUNCA DAHA YÜKSEK SICAKLIK FARKLILIKLARINA SAHİP OLACAKTIR VE YÜZEYDEN DAHA HIZLI ISI KAYBEDECEKTİR, OYSA EŞİT ORANDA SOĞUK OLAN BİR BARDAK SUYUN DAHA AZ SICAKLIK FARKI VARDIR VE SÜRECİ HIZLANDIRACAK DAHA AZ ISIYAYIM BULUNUR.

FAKAT BU FİKİR DE TAMAMEN DOĞRULANMADI.”

Bu yüzden, yüzyıllar süren deneylerden sonra hâlâ cevap arıyoruz.

Şimdi, Dallas’taki Methodist Üniversitesi ile Çin’deki Nanjing Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bir çözüme sahip olduklarını düşünüyorlar; su moleküllerinde bulunan hidrojen ile oksijen atomları arasında oluşan bağların sahip olduğu tuhaf özellikler, anlaşılmaz Mpemba etkisini açıklamanın anahtarı olabilir.

Su molekülü kümeleriyle yapılan canlandırmalar, belirli bir su molekülü içindeki hidrojen bağlarının (H-bağları) gücünün, etraftaki su moleküllerinin dizilişlerine bağlı olduğunu ortaya çıkardı.

Emily Conover, Science News için şöyle bildiriyor: “Su ısındıkça, daha zayıf olan bağlar kırılıyor ve molekül grupları, buzun kristal yapısını oluşturmak amacıyla yeniden dizilen parçalara dönüşebiliyor ve donma işlemi için bir başlangıç noktası görevi görüyorlar.”

“Soğuk suyun bu şekilde yeniden sıralanması için, ilk önce zayıf hidrojen bağlarının kırılması gerek.”

Diğer bir deyişle, sıcak suda, soğuk sudan daha fazla güçlü hidrojen bağı oranı buluyoruz, çünkü daha zayıf olanlar, sıcaklıklar arttıkça kırılmış oluyor.

Takım, tezlerinde şu karara varıyor:

“ÇÖZÜMLEME … MPEMBA ETKİSİ İÇİN MOLEKÜLER BİR AÇIKLAMA ÖNE SÜRMEMİZE YOL AÇTI. SICAK SUDA, DAHA ZAYIF OLAN VE AĞIRLIKLI OLARAK ELEKTROSTATİK DESTEKLERE SAHİP OLAN H-BAĞLARI KIRILIYOR, VE GÜÇLÜ H-BAĞI DİZİLİŞLERİNE SAHİP DAHA KÜÇÜK SU KÜMELERİ, KATI BUZUN ALTIGENSEL ÖRGÜSÜNE YOL AÇAN ÇEKİRDEKLEŞME SÜRECİNİ HIZLANDIRIYOR.

BU YÜZDEN SU, RASTGELE DİZİLMİŞ SU KÜMELERİNDEN GERÇEKLEŞEN DEĞİŞİMİN ZAMAN VE ENERJİYE MAL OLDUĞU SOĞUK SUDAN DAHA HIZLI DONUYOR.”

Fakat bundan önce gelen tüm açıklamalarda olduğu gibi, bunun (veya bir etmen bileşiminin) gerçekten Mpemba etkisinde rol aldığından kesin şekilde olmadan önce, daha fazla kanıt görmemiz gerekecek.

Bazıları tekrarlama sorununu, olguyu elde etmek amacıyla farklı yönlerde bir araya gelen birkaç etmene (bunlara ısıyayma, buharlaşma ve süpersoğuma da dahil) ve donma işleminin anlık değil de aşamalı olduğu gerçeğine indirgese de, diğerleri Mpemba etkisinin inanılmaz şekilde ısrarcı bir efsaneden fazlası olmadığını söylüyor.

Yakın zaman önce Imperial College London Üniversitesi’ndeki bir takım tarafından çıkarılan bir diğer tez, sıcak ve soğuk su örneklerinin donma noktasına (0 Celcius derece) düşmesine kadar geçen zamanı gözlemledi.

Araştırmacılardan biri olan Henry Burridge, Science News‘a şöyle söylüyor: “Ne yaparsak yapalım, Mpemba etkisine benzeyen herhangi bir şey gözlemlemedik.”

Peki aslında burada ne oluyor? (Eğer varsa) hangi hükmün ilave araştırmalarla desteklendiğini bekleyip görmek zorunda olacağız, fakat söz konusu su olduğunda kesin olan bir şey var; bütün bu yıllardan sonra bile bizi hâlâ şaşırtıyor.