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All'inizio, gli esperimenti descritti da Mpemba e Osborne furono difficili da riprodurre e vennero bollati come innacurati. In realtà ci sono molte variabili di cui tener conto e la progettazione dell'esperimento per verificare questa ipotesi non intuitiva si è dimostrata più complicata del previsto. I fisici hanno scoperto che il fenomeno non riguarda solo l'acqua, ma anche altre sostanze, polimeri cristallini, solidi simili al ghiaccio (detti idrati di clatrato), minerali di manganite. Per i fisici si tratta di sistemi fuori dall'equilibrio termodinamico. Tali sistemi comprendono anche quelli in cui si verifica l'inverso dell'effetto Mpemba, cioè il caso in cui una sostanza fredda si riscalda più velocemente di una calda.
I ricercatori si sono inizialmente concentrati sull'acqua per spiegare il fenomeno. L'acqua è una sostanza molto particolare, è meno densa allo stato solido di quanto non lo sia allo stato liquido. Per questo motivo, come sapete, il ghiaccio galleggia sull'acqua liquida. Tra le molecole d'acqua, inoltre, si formano legami idrogeno a causa della sua natura polare. Alcuni fisici pensano che il riscaldamento potrebbe rompere questi deboli legami aumentando il disordine localmente e riducendo così l'energia necessaria per raffreddare il campione. La relazione tra energia e disordine la studierete un po' più avanti, ma molto semplicemente se un sistema è più disordinato ha anche un livello energetico maggiore. Altri hanno chiamato in causa fattori esterni. Uno strato di brina in un congelatore può funzionare da isolante impedendo al calore di fuoriuscire da una tazza fredda, mentre quella calda non formerà questo strato e si raffredderà più velocemente.
Alcuni fisici hanno evidenziato quanto sia difficile fare misurazioni accurate per indagare questo fenomeno. Altri hanno anche messo in dubbio l'effetto stesso, ipotizzando che in realtà l'acqua calda forma prima cristalli di ghiaccio ma poi impiega più tempo per congelarsi completamente. Questa ultima ipotesi non è stata facile da dimostrare, così hanno misurato il tempo impiegato dall'acqua per arrivare a 0℃, ma questo tempo variava a seconda del posizionamento del termometro. Insomma, ipotesi non facili da verificare sperimentalmente e che hanno messo in discussione anche lo stesso effetto Mpemba, in quanto, a seconda di come veniva posizionato il termometro non sembrava essere verificato.

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Recentemente, tutto si è fatto ancora più complesso. La temperatura in una tazza di acqua calda che si raffredda rapidamente è un parametro difficile da misurare perché il sistema si trova fuori equilibrio. E di sistemi fuori equilibrio i fisici ne capiscono poco!
In una situazione di equilibrio, un'equazione con tre parametri (temperatura, volume e numero di molecole) descrive il comportamento di un fluido in una bottiglia. Se la stessa bottiglia viene messa in un congelatore, cambia tutto. Le molecole d'acqua sulla superficie della bottiglia si congeleranno, non quelle più in profondità, le quali resteranno liquide per più tempo. Temperatura e pressione diventano parametri variabili nel tempo e nello spazio. Il fisico Zhiyue Lu, dell'Università della Carolina del Nord, ha iniziato a interessarsi all'effetto Mpemba da quando nella provincia cinese di Shandong frequentava la scuola secondaria di primo grado e ora applica le leggi della termodinamica per spiegarlo. In particolare, ha iniziato a studiare la velocità con cui un sistema si avvicina all'equilibrio finale in funzione del suo punto di partenza rispetto all'equilibrio stesso. La domanda che si è posto è la seguente: è possibile che un sistema più lontano dallo stato di equilibrio finale ci si avvicini più velocemente di uno più vicino? Lu ha incontrato un altro fisico, Oren Raz, che si interessa di meccanica statistica del non equilibrio. Lu e Raz, insieme, hanno proposto un modello matematico che descrive l'effetto Mpemba e il suo inverso. I componenti di un sistema più caldo avendo più energia possono "esplorare" più configurazioni possibili e quindi "trovare la strada" che conduce all'equilibrio prima di quanto possa fare un sistema freddo.
Altri fisici hanno iniziato a interessarsi a questo modello applicandolo a sistemi granulari, come sabbia o semi. Come già detto, anche in sistemi diversi dall'acqua si può osservare l'effetto Mpemba. I fisici John Bechhoefer e Avinash Kumar hanno immaginato allora una piccola perla di vetro in un sistema che i ricercatori chiamano "energy landscape", un "paesaggio energetico" a forma di W, prodotto mediante dei laser. Le due valli non hanno la stessa profondità, come vedete dallo schema sopra. La valle meno profonda è uno stato "metastabile", cioè la particella di vetro ci può cadere ma alla fine potrebbe andare nella valle più profonda. Ora i fisici hanno immerso questo apparato sperimentale nell'acqua e tramite delle "pinzette ottiche" (i laser) ci hanno messo la perla di vetro, mille volte, osservandone il comportamento. Se l'acqua era calda, la pallina di vetro sballottata di qua e di là dall'energia termica delle molecole, trascorreva il 20% del suo tempo nello stato metastabile e l'80% del suo tempo in quello stabile (la valle più profonda). Ovviamente variando la temperatura, variavano anche queste percentuali. Ebbene, le particelle in un sistema più caldo raggiungevano più velocemente la configurazione finale. Il risultato è stato pubblicato nel 2020 sulla prestigiosa rivista Nature. Un sistema che è più lontano dall'equilibrio può raggiungerlo più velocemente di un altro che è in partenza più vicino.
Non tutti i fisici sono convinti che questo sia un meccanismo generale e continuano a formulare ipotesi, inventare modelli e progettare esperimenti. Inoltre, il sistema acqua non è stato ancora completamente spiegato. Studiare come i sistemi raggiungano delle condizioni di equilibrio è ancora una sfida aperta per i fisici. Tutto è iniziato con la fretta di Erasto di prendere un posto per il suo esperimento nel frigorifero della scuola!

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it) - Pubblicato il 15 luglio 2022