Как заморозить воду быстрее? Сначала вскипятите ее и плюньте на здравый смысл

Вы же знаете, что горячая жидкость замерзает быстрее холодной? Да, и для нас это тоже всегда выглядело как издевка над школьной физикой. Но теперь у этого парадокса появилось общее объяснение. Недавно физики предложили теоретическую схему, которая связывает разные проявления эффекта Мпембы и показывает, почему система, сильнее выведенная из равновесия, иногда возвращается в устойчивое состояние быстрее, чем менее возмущенная.

История началась в 1963 году, когда танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил неожиданную вещь: горячая смесь для мороженого в морозильнике застывала быстрее, чем предварительно охлажденная. Поначалу наблюдение встретили с недоверием, но в 1969 году результат подтвердили экспериментально в работе Мпембы и физика Дениса Осборна. Позже похожие явления нашли в самых разных процессах: от кристаллизации полимеров до переходов в магнитных материалах. Картина повторялась снова и снова: состояние, которое сначала сильнее отклонили от равновесия, порой приходило к нему раньше.

Со временем задача стала только сложнее. Аналоги эффекта Мпембы обнаружили и в квантовой физике. Эксперименты с захваченными ионами показали, что состояние с большей начальной асимметрией может восстанавливать симметрию быстрее, чем состояние с более слабым нарушением. Наблюдения намекали на существование какого-то общего закона, только вот физикам долго не удавалось описать классические и квантовые случаи в рамках одной модели.

Группа Джона Гулда из Тринити-колледжа в Дублине подошла к задаче через теорию ресурсов. Такой метод позволяет проследить, как система по мере движения к равновесию теряет физические параметры вроде энергии и симметрии. В новой работе именно их авторы рассматривают как ресурсы, по убыванию которых можно описывать ход релаксации, то есть возвращения системы в устойчивое состояние.

Эффект Мпембы в этой модели возникает, когда система с большим запасом некоторого ресурса теряет его быстрее, чем система с меньшим запасом того же ресурса. Из-за этого траектории двух состояний пересекаются: более возмущенное сначала отстает, а затем обгоняет второе и раньше приходит к равновесию. Авторы показали, что по этой логике можно описать и обычное тепловое охлаждение, и квантовое восстановление симметрии.

Ключевой механизм связан не только с тем, насколько далеко система ушла от равновесия, но и с тем, как ее начальное состояние связано с самыми медленными путями обратного движения. Именно такие траектории сильнее всего тормозят релаксацию. Если начальное состояние заметно совпадает с одним из таких медленных режимов, возвращение к равновесию затягивается.

При сильном отклонении картина иногда складывается иначе. Если начальное состояние почти не задевает медленные траектории, система минует главный тормозящий участок и идет по более быстрым путям. Поэтому более далекий от равновесия старт может привести к более быстрому финишу. Парадокс возникает не из-за особых свойств горячей воды и не из-за хитростей отдельного эксперимента, а из-за того, по какой траектории система возвращается назад.

Новая схема важна не только для старого спора о том, что замерзает быстрее. Общая модель подсказывает, где еще искать похожее поведение. Если исследователи научатся заранее находить медленные режимы и подбирать начальные состояния грамотно, появится возможность ускорять охлаждение, точнее управлять обработкой материалов и быстрее переводить квантовые системы в нужное состояние.