Sıcak Su Soğuk Sudan Önce Donar mı?

Bölüm metni

Bir lise öğrencisi dondurma yaparken sıcak karışımın soğuk olandan önce donduğunu söylediğinde sınıf güldü, öğretmeni "senin fiziğin bu, Mpemba fiziği" dedi. Altmış yıl sonra su için yapılan en dikkatli ölçümler öğrenciyi haklı çıkarmadı — ama lazerle tuzaklanmış cam boncuklar ve tek bir iyon çıkardı. Sorunun cevabı "evet" ya da "hayır" değil; sorunun kendisi yanlış sorulmuştu.

1963 yılında, Tanzanya'nın kuzeyindeki Tanga bölgesinde, Magamba Ortaokulu'nun yemek atölyesinde on üç on dört yaşlarında bir grup öğrenci dondurma yapıyordu. Tarif basitti: sütü kaynat, içine şeker kat, oda sıcaklığına gelene kadar bekle, sonra buzdolabının dondurucu bölmesine koy. Dondurucuda yalnızca birkaç kap alacak kadar yer vardı ve öğrenciler her hafta aynı yarışı yaşıyordu. O gün Erasto Mpemba adında bir öğrenci, sırasını kaybetmemek için beklemedi. Kaynar sütü şekerle karıştırdı ve kabı buharı tüterken doğrudan dondurucuya koydu.

Bir buçuk saat sonra dondurucu açıldığında Mpemba'nın karışımı donmuştu. Soğutulup konulan kaplar hâlâ sulu kıvamdaydı.

Bunun olmaması gerekiyordu. Sıcak bir cisim soğumak için önce soğuk cismin bulunduğu sıcaklıktan geçmek zorundadır; oraya vardığında hâlâ geride olması, en fazla eşitlenmesi beklenir. Mpemba fizik dersinde durumu anlattığında öğretmeni onunla dalga geçti; bu, fizik değil, olsa olsa "Mpemba'nın fiziği" idi. Sınıf arkadaşları da güldü. Ama Mpemba konuyu bırakmadı. Yakınlardaki bir kasabada bir dondurmacının kullandığı yöntemi sordu; adam, sütü sıcak koyduğunu söyledi, çünkü öyle yapınca daha çabuk donuyordu.

Birkaç yıl sonra Mpemba, Mkwawa Lisesi'nde okurken okula Dar es Salaam'daki üniversiteden bir fizikçi geldi. Denis Osborne'un konuşmasının ardından soru faslında Mpemba ayağa kalktı ve sorusunu sordu: aynı hacimde iki su alsam, birini 35 dereceye, diğerini 100 dereceye getirsem ve ikisini birden dondurucuya koysam, 100 derecelik olan neden önce donuyor? Salonda yine kahkaha koptu. Osborne gülmedi. Cevabı bilmediğini söyledi ve dönünce laboratuvarda denemeye karar verdi. Bir teknisyenden deneyi kurmasını istedi. Teknisyen sonucu getirdiğinde şaşırdı: bazı koşullarda sıcak su gerçekten önce donuyordu. Osborne deneyi kendisi tekrarladı, ölçümleri düzenledi ve 1969'da İngiliz Fizik Enstitüsü'nün çıkardığı dergi Physics Education'da, yani Fizik Eğitimi'nde, Mpemba'yla ortak imzalı kısa bir makale yayımladı. O günden sonra bu tuhaflığın adı, ortaokulda alay konusu olmuş öğrencinin soyadıyla anıldı: Mpemba etkisi.

İşin ilginç yanı, gözlemin yeni olmamasıydı. Aristoteles, hava olaylarını incelediği kitapta, suyu çabuk soğutmak isteyenlerin onu önce güneşte beklettiğini yazmıştı. Francis Bacon 1620 tarihli yapıtı Novum Organum'da, yani Yeni Yöntem'de, ılık suyun buz gibi sudan daha kolay donduğunu belirtmişti. Descartes da benzer bir not düşmüştü. Yani gözlem yüzyıllarca ortalıkta dolaşmış, kayda geçmiş, sonra unutulmuştu. Modern fiziğin sıcaklık, ısı ve ısı iletimi kavramları oturduktan sonra bu tür halk gözlemleri artık ciddiye alınmıyordu; çünkü teori, olmayacağını söylüyordu.

Mpemba'nın yaptığı şey bir keşif değil, bir ısrardı. Kimse ona hak vermezken, gözlemini savunulabilir bir soruya dönüştürecek kadar üstüne gitti. Kendisi fizikçi olmadı; Mweka'daki yaban hayatı yönetimi okuluna gitti, Tanzanya'da av ve orman idaresinde memur olarak çalıştı, öğretmenlik yaptı ve 2020'de hayatını kaybetti. Adı, hayatı boyunca yalnızca bir soru sorduğu için fizik literatürüne yazıldı.

Ne var ki bir etkinin adının olması, var olduğunun kanıtı değildir. Ve Mpemba etkisi, sonraki elli yıl boyunca fiziğin en inatçı biçimde bir türlü yakalanamayan olguları arasında kaldı.

Sorun şuydu: deneyi kim yaparsa yapsın, başkası aynı sonucu alamıyordu.

Kimi araştırmacı sıcak suyun önce donduğunu bildirdi. Kimi hiçbir fark bulamadı. Kimi tam tersini gördü. Aynı laboratuvarda, aynı ekipmanla, aynı hafta içinde yapılan denemeler birbiriyle çelişebiliyordu. Bu, bir olgunun gerçek olup olmadığını anlamanın en temel ölçütünde, tekrarlanabilirlikte, kalıcı bir başarısızlık demekti.

Açıklama önerileri yıllar içinde bir listeye dönüştü ve her biri kulağa makul geliyordu. Buharlaşma: kaynar su dondurucuda hızla buharlaşır, kütlesinin bir kısmını kaybeder, geriye donması gereken daha az su kalır. Bu gerçek bir etkidir ve açık kaplarda ölçülebilir; ama kaplar kapatıldığında çoğu zaman fark kayboluyordu, oysa bazı deneylerde kapalı kaplarda da görülüyordu. Çözünmüş gazlar: kaynatılmış suda çözünmüş hava az olur, bu da suyun ısı iletimini ve donma davranışını değiştirebilir. Ölçümler bu farkın etkiyi tek başına açıklayacak büyüklükte olmadığını gösterdi. Konveksiyon: sıcak suyun içinde güçlü akıntılar oluşur, kabın içindeki sıcaklık dağılımı soğuk kaptakinden bambaşkadır, yüzey daha sıcak kalır ve yüzeyden ısı kaybı hızlanır. Bu belki en sağlam adaylardan biriydi, ama tek başına yeterli değildi. Buz tabakası: dondurucunun rafında ince bir kırağı varsa, sıcak kap altındaki kırağıyı eritir, rafa yapışır ve metalle doğrudan temas kurar; soğuk kap ise yalıtkan bir kar yatağının üstünde durmaya devam eder. Bu, etkinin bazı mutfak deneylerinde neden göründüğünü çok iyi açıklıyordu, ama açıklaması bir su özelliği değil, dondurucu rafının özelliğiydi.

Ve hepsinin altında daha sinsi bir sorun vardı: "donmak" ne demek? İlk buz kristalinin belirmesi mi? Suyun tamamının 0 dereceye inmesi mi? Kabın içindekinin baştan aşağı katılaşması mi? Su, aşırı soğuma denen bir hile yapabilir: sıfırın altına, kimi zaman eksi 10 dereceye kadar sıvı halde inebilir, sonra bir tetikleyiciyle aniden donar. Bu tetiklenmenin ne zaman olacağı büyük ölçüde rastlantısaldır, kabın içindeki toz zerreciğine, çiziğe, titreşime bağlıdır. Yani iki özdeş kaptan hangisinin önce donacağı, ölçülmek istenen etkiden bağımsız olarak zaten zar atmaya benziyordu.

2012'de Royal Society of Chemistry, yani Kraliyet Kimya Derneği, konuyu halka açık bir yarışmaya dönüştürdü ve en iyi açıklamayı arayan çağrıya 100'den fazla ülkeden 22 binin üzerinde başvuru geldi. Kazanan çalışma, Zagreb'de çalışan kimyager Nikola Bregović'in, konveksiyon ve aşırı soğumayı birleştiren değerlendirmesiydi. Ama yarışmanın kendisi bile bir itirafa benziyordu: elli yıl sonra hâlâ ortada uzlaşılmış bir açıklama yoktu.

Asıl darbe 2016'da geldi. Londra'da ve Cambridge'de çalışan iki akışkanlar fizikçisi, Henry Burridge ve Paul Linden, meseleye alışılmadık bir yerden girdi. Önce şunu sordular: bu etkinin kesin tanımı nedir? Literatürdeki tanım şuydu: daha sıcak başlayan su, daha soğuk başlayan sudan önce donar. Onlar bunu ölçülebilir bir ifadeye çevirdiler ve iki numunenin soğuma eğrilerini kesiştiği noktayı aradılar. Sonra çok sayıda deney yaptılar.

Buldukları şey, etkinin varlığından çok, ölçümün kırılganlığıydı. İki numune arasında gözlenen zaman farkı, sıcaklığı ölçen ısıl çiftin kabın içinde tam olarak nerede durduğuna aşırı duyarlıydı. Termometreyi bir santimetre oynatmak, ölçülen farkı ortadan kaldırmaya ya da işaretini tersine çevirmeye yetiyordu. Yani onlarca yıldır insanların "Mpemba etkisi" diye raporladığı fark, çoğu durumda kabın içindeki sıcaklık dağılımının, sensörün konumunun ve ölçüm gürültüsünün büyüklüğüyle aynı mertebedeydi. Sonuçlarını Scientific Reports'ta, yani Bilimsel Raporlar'da yayımladılar ve şu sonuca vardılar: sıradan koşullarda suyun sıcakken daha çabuk donduğuna dair güvenilir, tekrarlanabilir bir kanıt yok.

Bu, hikâyenin bitişi gibi görünüyordu. Yüzyıllık bir mutfak gözlemi, dikkatli ölçüm karşısında buharlaşmıştı.

Ama tam bu noktada soru el değiştirdi. Fizikçiler suya bakmayı bırakıp, sorunun kendisine baktılar.

Şu soruyu suyla hiç ilgisi olmadan sorabilirsiniz: bir sistemin sıcak bir başlangıç durumundan yola çıkıp, soğuk bir başlangıç durumundan yola çıkan aynı sistemden daha çabuk dengeye ulaşması, ilkesel olarak mümkün müdür?

Böyle sorulduğunda mesele, buzun ne zaman oluştuğu değil, bir sistemin denge durumuna nasıl gevşediğidir. Bir cismin durumunu tek bir sayıyla, sıcaklıkla temsil etmeye alışkınız; oysa çok parçacıklı bir sistemin gerçek durumu, o parçacıkların olası düzenlenişleri üzerindeki bir olasılık dağılımıdır. Soğutma, bu dağılımın soyut bir uzayda bir noktadan başlayıp, soğuk dengeye karşılık gelen başka bir noktaya doğru yol almasıdır. Ve bir haritada olduğu gibi, uzaktaki bir noktadan çıkan yol, yakındaki bir noktadan çıkan yoldan kısa sürebilir; yeter ki daha doğrudan bir güzergâh üzerinde olsun.

2017'de Zhiyue Lu ve Oren Raz bu sezgiyi matematiğe döktüler. Bir sistem dengeye giderken bunu, farklı hızlarda sönümlenen bir dizi bileşenin toplamı olarak yapar; en yavaş sönümlenen bileşen, uzun vadede süreci geciktiren bileşendir. Lu ve Raz gösterdiler ki, özel olarak seçilmiş bir başlangıç durumunda o en yavaş bileşenin katkısı sıfır olabilir. O zaman sistem, en yavaş yolu hiç kullanmadan, doğrudan hızlı bileşenlerle dengeye düşer. Bu, sıcak başlangıcın soğuk başlangıcı geçmesi için gereken kapıyı açıyordu ve terazinin bir kefesinde artık bir mutfak anekdotu değil, denge dışı istatistiksel fizik vardı.

Sıra gösterime geldi. Kanada'da Simon Fraser Üniversitesi'nde Avinash Kumar ve John Bechhoefer, suyu ve dondurucuyu tümüyle bir kenara bıraktılar. Deneyleri, su içinde asılı duran tek bir mikron ölçeğinde cam boncuktu. Boncuğu lazerle kurulmuş bir optik tuzağın içine yerleştirdiler; lazer ışığının şiddet dağılımını öyle biçimlendirdiler ki boncuk, iki çukuru olan, biri diğerinden daha derin bir enerji manzarasının içinde kaldı. Böyle bir manzarada boncuk çukurlar arasında rastgele gidip gelir ve uzun vadede belirli bir olasılık dağılımına yerleşir. O dağılım, bu minik sistemin "sıcaklığı" demektir.

Deney şuydu: boncuğu önce farklı "sıcaklıklara" karşılık gelen dağılımlarla başlat, sonra hepsini aynı soğuk banyoya bırak ve dengeye ne kadar sürede oturduklarını ölç. Tek bir boncuğun yolu gürültülüdür, bu yüzden deneyi binlerce kez tekrarlayıp istatistik topladılar. Sonuç, 2020'de Nature'da, yani Doğa dergisinde yayımlandı: belirli başlangıç koşullarında sistem, daha soğuk başlayan sisteme kıyasla dengeye kat kat hızlı ulaşıyordu. Üstelik bu, gürültünün içinde zar zor seçilen bir fark değil, teorinin önceden yerini gösterdiği, üstel biçimde ayrışan bir hızlanmaydı. Aynı grup 2022'de bunun tersini de ölçtü: belirli koşullarda soğuk başlangıçlı bir sistem ısınmada da öne geçebiliyordu.

Bundan sonrası hızlı ilerledi. 2024'te tuzaklanmış iyonlardan kurulu bir kuantum benzetim düzeneğinde, kuantum sistemlerinin simetrilerine geri dönüşünde benzer bir hızlanma gözlendi. Yani Mpemba etkisi, artık suya ait bir tuhaflık değil, gevşeme dinamiği olan çok çeşitli sistemlerde ortaya çıkabilen genel bir davranış olarak inceleniyor.

O halde soruya dürüst cevap iki katmanlı. Mutfağınızdaki dondurucuda, sıcak suyun soğuk sudan önce donacağına güvenemezsiniz; dikkatli ölçümler bunun tekrarlanabilir bir olgu olmadığını, gözlenen farkların çoğunlukla buharlaşma, kırağı, kap yerleşimi, aşırı soğumanın rastlantısallığı ve sensör konumu gibi ayrıntılardan geldiğini gösteriyor. Ama sorunun ardındaki fizik, "sıcak başlangıç daha çabuk dengeye ulaşabilir mi" sorusu, sahte değil. Doğru kurulmuş bir sistemde ölçüldü, önceden hesaplandı ve kendi teorisi var.

Bu, bilimde pek konuşulmayan bir tür başarıdır. Bir gözlem yanlış çıktığında hikâye genellikle biter. Burada gözlem, en azından iddia edildiği biçimiyle, doğrulanmadı; ama sorunun kendisi, kimsenin ummadığı bir kapıyı açtı. Bugün fizikçiler bir sistemin dengeye giden yolunu kısaltmayı, tasarlanmış başlangıç koşullarıyla soğutmayı hızlandırmayı tartışıyorsa, bunun soy kütüğünde 1963'te bir dondurucunun kapağını açıp kendi kabının donduğunu gören bir ortaokul öğrencisi var.

Mpemba haklı çıkmadı. Ama sorusu, cevabından daha uzun yaşadı.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.