Kilka dni temu byłem na finale konkursu Bohaterowie Przyszłości. Jedna z nominowanych i – jak się później okazało – także nagrodzonych grup wymyśliła urządzenie do pozyskiwania energii elektrycznej z hałasu. Dwóch nastolatków (Maciej Mazur i Piotr Pikiewicz) zaproponowało rozwiązanie realnego problemu. Trudno powiedzieć, czy ich pomysł kiedykolwiek wejdzie w życie. Ale nie to w tym wszystkim jest najistotniejsze. Najważniejsze jest to, że ci młodzi ludzie zauważyli problem, który jest tak powszechny, że większość z nas do niego przywykła.

Od lodów do odkrycia

Nie, nie przywykliśmy do hałasu, męczy nas coraz bardziej, coraz częściej z jego powodu chorujemy. Przywykliśmy do tego, że na hałas nic nie można poradzić. Potrzeba otwartego umysłu i w pewnym sensie także odwagi, by spróbować rozwiązać problem, który powszechnie uważany jest za nierozwiązywalny.

To był naprawdę gorący dzień roku 1963. 13-letni Erasto Mpemba, mieszkaniec Tanzanii, wrócił właśnie ze szkoły do domu i nabrał ochoty na zjedzenie lodów. Zamrażarka była jednak pusta. Erasto wiedział, co robić, robił to wielokrotnie w przeszłości. Wziął mleko, podgrzał, dosypał cukru, dodał owoców i wszystko mocno zmiksował. Powinien był, zanim mleko wsadzi do zamrażarki, najpierw je schłodzić, ale ochota na lody była tak duża, że nie czekał, aż temperatura mikstury spadnie. Do zamrażarki włożył gorące mleko. Po jakimś czasie zajrzał z ciekawości do zamrażalnika i zdziwił się, że lody już są gotowe. Erasto był spostrzegawczym chłopcem. Od razu zauważył, że gorące mleko zamarzło szybciej niż zimne. Postanowił więc zrobić doświadczenie. Umieścił w zamrażarce dwa takie same pojemniki – w jednym ciepłe mleko, w drugim zimne. I rzeczywiście, ciepłe zamarzło szybciej. Potem ten sam eksperyment powtórzył z wodą. Efekt był podobny. Kolejnego dnia do szkoły pobiegł jak na skrzydłach. Złapał swojego nauczyciela i poprosił o wyjaśnienie fenomenu. Wyjaśnienia nie uzyskał, a nauczyciel go wyśmiał. Tak, zamarzanie gorącego przed zimnym przeczy intuicji. Tyle tylko że nasza intuicja jest kształtowana przez to, co widzimy, i to, co wiemy. Cała reszta wydaje nam się bez sensu. Czy dla ludzi współczesnych Kopernikowi krążenie Ziemi wokół Słońca nie było bez sensu? Przecież my stoimy w miejscu, to Słońce się porusza na niebie. Takie przykłady można podawać bez końca!

Wróćmy do Erasta Mpemby. To, że nie dostał odpowiedzi, to, że nauczyciel potraktował go z góry, nie zniechęciło go. Przeciwnie, nabrał prawdziwej ochoty na wyjaśnienie w sumie bardzo prostego zjawiska. W Tanzanii tego akurat nie mogli wiedzieć, ale w krajach, w których zima jest mroźna, od dawna wiadomo, że częściej pękają rury z gorącą wodą niż z zimną. Że auto w zimie powinno się myć zimną wodą, a nie gorącą. W przeciwnym wypadku uszkodzeniu może ulec lakier.

Profesor uwierzył

Gdy rok po swoim odkryciu Erasto Mpemba uczył się w liceum, jego szkołę odwiedził prof. Denis G. Osborne, fizyk z pobliskiego uniwersytetu. Po jego wykładzie (który dotyczył zupełnie innych zagadnień) Mpemba opowiedział o swoich dobrze już udokumentowanych obserwacjach. Koledzy z klasy zaczęli się śmiać, ale profesor Osborne obiecał sprawę zbadać (choć jak później przyznał, nie wierzył licealiście). Osborne przeprowadził kilka eksperymentów i… potwierdził obserwacje Erasta. W 1969 roku ukazała się profesjonalna praca obydwu panów (ucznia i nauczyciela) opisująca tzw. efekt Mpemby. Woda gorąca rzeczywiście szybciej zamarza niż woda zimna. Jak to działa? Przecież ciepła ciecz, zanim zamarznie, powinna najpierw się schłodzić, podczas gdy ta, która jest chłodna, tego nie potrzebuje. Jak całą sprawę wytłumaczyć? I tutaj pojawia się kolejne wyzwanie. Prosty efekt, w sumie łatwy do zaobserwowania, i... nikt nie potrafił znaleźć wyjaśnienia.

Od ukazania się publikacji powstało kilka teorii, ale żadna do końca nie była satysfakcjonująca. Podejrzewano, że za szybsze zamarzanie odpowiedzialne są rozpuszczone w wodzie gazy. Woda, która się gotowała, jest mniej nimi nasycona. Ciecz z mniejszą ilością rozpuszczonych gazów (a więc ciepła) zamarza szybciej. W czasie podgrzewania wody wytrącają się też sole mineralne (stąd osad na grzałce czajnika). A te obniżają temperaturę zamarzania. Dlatego zimą posypuje się chodniki i ulice solą. Innymi słowy, chłodna woda zamarza w niższej temperaturze niż ta przegotowana. Do tego wszystkiego niektórzy dodają fakt, że na ściankach naczynia z ciepłą wodą osadza się szron (na ściankach zimnego tylko w śladowych ilościach), a to powoduje, że chłodzenie jest bardziej efektywne. Ciepła woda zacznie więc zamarzać od ścianek (i dna) naczynia, podczas gdy zimna od powierzchni. Ten pierwszy sposób jest znacznie bardziej efektywny. Poza tym ciepła woda paruje, a to w skrócie oznacza szybkie ochładzanie. Dlaczego? Do parowania potrzebna jest energia. Wychodząc z jeziora, wanny czy spod prysznica, odczuwamy zimno tak długo, aż nasza skóra się nie wysuszy. Dzieje się tak, bo parująca woda ochładza skórę, pobierając z niej energię. No i ostatnia sprawa. W „ciepłym naczyniu” wody do zamarznięcia jest mniej, bo część wyparowała. Woda zimna też paruje, ale bardzo, bardzo wolno.

Gdzie jest duża nauka?

W zasadzie do dzisiaj nie wiemy, jak wyjaśnić efekt Mpemby, choć nieco światła rzuciły na niego prace fizyków z Nanyang Technological University w Singapurze. Swoje eksperymenty opublikowali dopiero kilkanaście miesięcy temu i choć nie wyjaśniają dokładnie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, sugerują, że winne są tutaj wiązania chemiczne. Nie chodzi o wiązania, które łączą tlen z dwoma wodorami w cząsteczce wody, tylko o wiązania o wiele słabsze, które łączą ze sobą różne cząsteczki wody (to wiązania wodorowe). Im woda cieplejsza, tym cząsteczki wody są od siebie dalej oddalone, czyli spada gęstość cieczy. Ten efekt jest znany od bardzo dawna (ciepła woda wędruje w naczyniu do góry). Nie wiedziano jednak, że rozciągnięte wiązanie, a to w nim zmagazynowana jest energia, dużo szybciej traci tę energię niż wiązanie ściśnięte. Innymi słowy, choć w gorącej wodzie, pomiędzy cząsteczkami, zmagazynowana jest większa ilość energii, niż pomiędzy cząsteczkami w wodzie zimnej, to w tym pierwszym przypadku energia szybciej będzie „ulatywała”. I dlatego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Dlatego zimą, rury z gorącą wodą częściej pękają niż rury z wodą zimną. I to dlatego nie wolno zimą myć samochodu gorącą wodą, bo ta natychmiast zamarznie na powierzchni lakieru i może go uszkodzić.

Nam, dorosłym, wydaje się często, że naukę można uprawiać tylko w laboratoriach, mając do dyspozycji duże zespoły ludzkie i ogromne pieniądze. To ważne, ale nie najważniejsze. Najważniejsza jest umiejętność dostrzegania problemów codziennych oraz chęć ich rozwiązywania. Mają ją chłopcy, którzy stworzyli urządzenie do produkcji prądu z hałasu, młody Tanzańczyk, który zauważył przedziwne zjawisko w swojej zamrażarce, czy opisywany w „Gościu” rok temu 12-letni Łukasz z Sandomierza, który postanowił sprawdzić, co stanie się z przepiórczym jajkiem na granicy atmosfery i kosmosu. Duża nauka dzieje się obok nas, a nie w ośrodkach naukowych.