הפיזיקה של הגלידה
פיזיקה מחוץ לשיווי משקל
מכון ויצמן למדע|המחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות
החיים עצמם:
ד"ר רז הוא אב לשלושה, מנגן בטרומבון ב"ביג בנד" של רחובות, שוחה בים ובבריכה.
תלמיד חטיבת הביניים בעיר דר-אל-סלאם בטנזניה, בשנות ה-60 של המאה הקודמת, ארסטו מפמבה (Mpemba), לא חלם שזה יקרה לו. הוא בסך הכל רצה להכין גלידה בשיעור בכיתה. מפמבה שם לב שאם, בניגוד להוראות, הוא מכניס למקפיא את תערובת הגלידה כשהיא חמה, הגלידה תקפא ותהיה מוכנה לפני כמות זהה של גלידה שהוכנסה למקפיא כשהיא קרה.
בדיעבד התברר שתגליתו של מפמבה דווחה פעמים רבות בהסטוריה של המדע, למשל על ידי אריסטו שציין שדייגים באיים הצפוניים משתמשים במים שחוממו כדי ליצר במהירות קרח. מצד שני, מאז שניוטון ניסח את “חוק ניוטון לקירור” האומר שקצב הקירור פרופורציוני להפרש הטמפרטורה – חוק שלכאורה סותר את קיום האפקט, איש לא דיווח על התופעה הזאת, עד לדיווחו של תלמיד חטיבת הביניים מפמבה.
תגליתו של מפמבה עוררה סקרנות רבה בעיקר בקרב העוסקים בהוראת הפיזיקה: השילוב של ניסוי פשוט, תגלית של תלמיד חטיבת בניים, הלקח המדעי (כאמור, האפקט לא דווח מרגע שלא הסתדר עם הפרדיגמה המדעית השולטת) והמחשבה שמאחורי האפקט עומד הסבר פשוט – אידוי, זרמי קונווקציה במים, או סופר-קירור, קסמו למורים רבים, ששחזרו את הנסוי עם תלמידיהם.
לפני כעשור התברר שחישובים נומריים מפורטים מראים שהאפקט קיים גם במערכות קטנות מאוד (המכילות כמה אלפי מולקולות בלבד) – באופן שלא עולה בקנה אחד עם אף אחד מההסברים ה”פשוטים”. ואם לא די בזה, תופעה דומה מאוד התגלתה במספר קטן של מערכות אחרות: סגסוגות מגנטיות מסוימות שבהן מעבר הפאזה אינו מתחולל בין מצב נוזל למצב מוצק אלא בין מצב לא ממוגנט למצב ממוגנט, בצינוריות פחמן ננומטריות ובקלטרייט-היידרייט (חומר בעל תכונות דומות לאלה של מים). לנוכח כל אלה, עבר העיסוק באפקט מפמבה מתחום הוראת המדעים, למעבדות המחקר של הפיזיקאים.
מה השאלה?
מה הדרך היעילה ביותר להקפאת גלידה במקרר?
ד”ר אורן רז ממכון ויצמן למדע, וחברי קבוצתו, מנסים להבין את האפקט באופן מעט יותר מופשט, באמצעות הפורמליזם של “פיזיקה מחוץ לשיווי משקל”: בתיאור שלנו המערכת תחילה ממצב שיווי משקל (קר או פושר), ומצומדת לאמבט קר. מרגע הצימוד – המערכת לא נמצאת יותר בשיווי משקל, עד שתגיע לטמפרטורה של האמבט הקר.
בזמן תהליך הקירור המערכת יכולה להיות רחוקה משיווי משקל, למשל הטמפרטורה שלה “לא מוגדרת” והיא יכולה להשתנות בין נקודות שונות בחומר. ההסבר לתופעה הוא “קיצורי דרך” באותם מצבים שאינם מתוארים באמצעות שיווי משקל. מחקרם של ד”ר רז, וחברי קבוצתו, אשר נתמך במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, מספק תנאים לקיום האפקט, ומספק הסבר אפשרי למנגנון המפעיל אותו.
התיאוריה של ד”ר רז וחבריו, חוזה את קיומו של אפקט “מפמבה הפוך”, שבו מערכת קרה תתחמם יותר מהר ממערכת פושרת, ואף מצבים משונים בהם הפרוטוקול הכי קצר לחימום המערכת הוא לקרר אותה לפרק זמן קצוב בטמפרטורה מוגדרת לפני החימום. לכאורה, יתכנו מצבים בהם לדחוף פיצה למקפיא לזמן קצר ואחר כך להכניס אותה לתנור יקצר את זמן החימום.
באחרונה נבדקו התיאוריות של ד”ר רז, בשני ניסויים (אשר מבוצעים על-יד קבוצות מחקר אחרות במקומות שונים בעולם). תוצאות אחד הניסויים האלה פורסמו בכתב-העת המדעי Nature.