Effetto Mpemba: l'acqua calda può davvero congelare prima di quella fredda?

L'effetto Mpemba è una di quelle affermazioni che sembrano sfidare il buon senso: in certe condizioni, l'acqua calda può congelare prima di quella fredda. Detto così suona come un errore, eppure il fenomeno è stato descritto da Aristotele, ripreso da Francesco Bacone e da Cartesio, e infine reso celebre nel 1963 da uno studente delle scuole superiori in Tanzania. A oltre sessant'anni di distanza, l'effetto Mpemba resta uno dei rompicapi più dibattuti della fisica quotidiana, perché nessuno è ancora riuscito a fornirne una spiegazione universalmente accettata.

Un gelato e un'intuizione: la storia di Erasto Mpemba

Il nome viene da Erasto Bartholomeo Mpemba, che nel 1963 frequentava una scuola superiore in Tanzania. Durante una lezione di cucina, gli studenti dovevano preparare del gelato facendo bollire il latte zuccherato e lasciandolo raffreddare prima di metterlo nel congelatore. Mpemba, per fretta, infilò il suo composto ancora bollente nel freezer e si accorse che si solidificava prima di quello dei compagni, lasciato raffreddare. I docenti liquidarono l'osservazione come un equivoco, ma il ragazzo non si arrese.

Anni dopo, durante una conferenza, Mpemba pose la domanda al fisico Denis Osborne, dell'University College di Dar es Salaam. Invece di ridere, Osborne replicò l'esperimento e nel 1969 i due firmarono insieme un celebre articolo sulla rivista Physics Education intitolato semplicemente "Cool?", che diede dignità accademica al fenomeno e gli regalò il nome con cui lo conosciamo oggi.

Le spiegazioni proposte (e perché nessuna basta)

Nel corso dei decenni i fisici hanno proposto numerosi meccanismi per giustificare l'effetto, ciascuno plausibile ma nessuno decisivo. Tra i più citati ci sono l'evaporazione (l'acqua calda perde massa e quindi ha meno liquido da raffreddare), la convezione più vigorosa che accelera la dispersione del calore, la diversa concentrazione di gas disciolti e il fenomeno della sopraffusione (supercooling), per cui l'acqua può restare liquida sotto gli zero gradi finché qualcosa non innesca la cristallizzazione.

Il problema è che questi effetti sono difficili da isolare e da riprodurre in modo controllato. Nel 2016 un'analisi di Henry Burridge e Paul Linden, pubblicata su Scientific Reports con il titolo "Questioning the Mpemba effect", ha messo in dubbio che il fenomeno esista davvero come effetto robusto e ripetibile, sostenendo che molti esperimenti soffrono di errori di misura della temperatura e di definizioni ambigue di cosa significhi "congelare prima".

La svolta del 2020: dalle gocce d'acqua alle biglie di vetro

La ricerca più citata degli ultimi anni non riguarda affatto l'acqua. Nel 2020 i fisici Avinash Kumar e John Bechhoefer della Simon Fraser University hanno pubblicato su Nature uno studio in cui hanno usato microscopiche biglie di vetro immerse in acqua e manipolate con un fascio laser, creando un "paesaggio energetico" controllato. Hanno osservato che i sistemi che partivano da una temperatura più alta raggiungevano l'equilibrio freddo esponenzialmente più in fretta di quelli partiti tiepidi.

Questo risultato non dimostra che la vostra acqua bollente congelerà prima in freezer, ma suggerisce che esista una classe di sistemi fisici in cui uno stato "più caldo" può effettivamente raffreddarsi prima di uno "più freddo", a seconda di come il sistema attraversa i suoi stati intermedi. Come ha spiegato la rivista Science News commentando il lavoro, l'effetto Mpemba potrebbe essere un caso particolare di un comportamento molto più generale dei sistemi lontani dall'equilibrio termodinamico.

Perché conta una domanda apparentemente banale

L'aspetto più affascinante dell'effetto Mpemba è che continua a sopravvivere proprio grazie alla sua ambiguità. Come riassume la voce enciclopedica dedicata al fenomeno, non esiste un consenso né sulle condizioni esatte in cui si manifesta, né sul meccanismo dominante. Alcuni esperimenti lo confermano, altri non riescono a riprodurlo, e molto dipende dalla geometria del recipiente, dalla purezza dell'acqua e da come si definisce il momento del congelamento.

Questa storia insegna due cose preziose. La prima è che una buona domanda può venire da chiunque: uno studente che osserva il proprio gelato ha aperto un filone di ricerca che impegna ancora i laboratori. La seconda è che in scienza dire "non lo sappiamo con certezza" non è una debolezza, ma il punto di partenza di ogni indagine seria. La prossima volta che sentirete affermare con sicurezza che l'acqua calda congela prima della fredda, ricordate che la risposta onesta, dopo sessant'anni, resta: dipende.