Effetto Mpemba: perché l'acqua calda può ghiacciare prima della fredda

L'effetto Mpemba è una delle osservazioni più sconcertanti della fisica quotidiana: in determinate condizioni, un volume di acqua calda può congelare prima di un volume identico di acqua fredda. Sembra una violazione del buon senso — il calore dovrebbe allungare i tempi, non accorciarli — eppure il fenomeno è stato descritto a più riprese in oltre due millenni di storia della scienza, senza che ne esista ancora una spiegazione universalmente accettata. È uno di quei rari casi in cui un problema apparentemente banale resiste agli strumenti della fisica moderna.

Da Aristotele a uno studente tanzaniano

Il primo a metterlo per iscritto fu Aristotele, che nella Meteorologica notava come gli abitanti del Ponto, per congelare più in fretta l'acqua, la esponessero prima al sole affinché si scaldasse. Osservazioni analoghe ricompaiono nei secoli in Francesco Bacone e in Cartesio, segno che il fenomeno era noto ma considerato una curiosità marginale, mai studiato sul serio.

Il nome moderno lo dobbiamo a Erasto Mpemba, uno studente tanzaniano che nel 1963, durante una lezione di cucina alle scuole superiori, si accorse che la sua miscela bollente per il gelato si solidificava nel congelatore prima di quella dei compagni, lasciata raffreddare a temperatura ambiente. Deriso dagli insegnanti, che gli risposero che stava confondendo le idee, Mpemba ebbe la tenacia di insistere. Quando il fisico Denis Osborne tenne una conferenza nella sua scuola, il ragazzo gli pose la domanda davanti a tutti. Osborne, anziché liquidarlo, decise di verificare in laboratorio. Insieme firmarono nel 1969 un articolo rimasto celebre, pubblicato su Physics Education con il titolo "Cool?", in cui documentavano sperimentalmente il fenomeno e gli davano dignità accademica.

Le spiegazioni in campo

Nel corso dei decenni sono state proposte numerose ipotesi, nessuna delle quali da sola spiega tutti i casi osservati. Le principali chiamano in causa meccanismi diversi che possono anche combinarsi:

• Evaporazione: l'acqua calda perde massa per evaporazione e meno massa significa meno calore complessivo da estrarre prima del congelamento.
• Convezione: i moti convettivi più intensi nell'acqua inizialmente calda distribuiscono il calore in modo diverso, accelerando lo scambio termico con l'esterno.
• Gas disciolti: il riscaldamento espelle l'aria e l'anidride carbonica disciolte, modificando le proprietà fisiche del liquido e il modo in cui cristallizza.
• Sopraffusione: l'acqua fredda tende a restare liquida sotto lo zero (il cosiddetto supercooling) più a lungo, ritardando l'effettiva formazione di ghiaccio.
• Legami a idrogeno: alcuni modelli proposti dopo il 2013 chiamano in causa la geometria dei legami idrogeno nelle molecole d'acqua, ma restano fortemente dibattuti.

La pluralità di spiegazioni è essa stessa parte del problema: a seconda del contenitore, del volume, della presenza di un coperchio o del tipo di congelatore, può prevalere un meccanismo o un altro. È questa estrema sensibilità alle condizioni a rendere il fenomeno difficile da inchiodare.

Esiste davvero? Il grande dibattito

Qui la storia si complica. Tanto interesse aveva spinto la Royal Society of Chemistry, nel 2012, a bandire un concorso pubblico per la migliore spiegazione, ricevendo migliaia di proposte. Ma pochi anni dopo arrivò la doccia fredda. Nel 2016 i fisici Henry Burridge e Paul Linden hanno pubblicato su Scientific Reports uno studio molto critico, sostenendo che in esperimenti accuratamente controllati il fenomeno non si riproduce in modo affidabile e che gran parte delle osservazioni storiche dipende da come si definisce "il momento del congelamento" e da differenze di temperatura mal misurate tra i campioni.

Tre anni più tardi, però, il dibattito ha avuto una svolta inattesa. Un gruppo guidato da John Bechhoefer alla Simon Fraser University ha aggirato la complessità dell'acqua reale studiando sistemi più semplici e perfettamente controllabili: minuscole sferette di vetro in sospensione, di cui era possibile misurare con precisione lo stato termico. In un lavoro del 2020 pubblicato su Nature, intitolato "Exponentially faster cooling in a colloidal system", i ricercatori hanno dimostrato che un sistema partito da una temperatura più alta può effettivamente raffreddarsi più in fretta di uno partito da una temperatura più bassa. Per la prima volta esisteva una cornice teorica rigorosa: il risultato dipende da come un sistema lontano dall'equilibrio "sceglie" il proprio percorso verso lo stato finale, e in certe configurazioni il cammino più caldo è anche il più rapido.

Perché è così difficile riprodurlo in cucina

Tutto questo non significa che, mettendo due bicchieri d'acqua nel freezer di casa, quello caldo ghiaccerà sempre per primo. Anzi: nella maggior parte dei tentativi domestici non accade nulla di strano, perché le condizioni necessarie sono delicate e capricciose. Servono il giusto rapporto tra superficie e volume, la giusta differenza di temperatura iniziale, il giusto tipo di contenitore. È proprio l'incostanza del risultato ad aver alimentato lo scetticismo di tanti fisici.

Una lezione di metodo

L'effetto Mpemba resta un caso di studio affascinante perché unisce l'osservazione ingenua di uno studente alla termodinamica di non equilibrio più avanzata. Non sappiamo ancora con certezza se, e in quali condizioni precise, l'acqua di casa nostra obbedisca alla regola; sappiamo però che la domanda ha aperto un filone di ricerca serio sulla fisica del raffreddamento, con implicazioni anche per la scienza dei materiali. La vera lezione, come ricordava lo stesso Osborne, è un'altra: nessuna osservazione, per quanto sembri assurda, andrebbe liquidata senza un esperimento. La storia di un ragazzo deriso dai professori, finita sulle pagine di Nature mezzo secolo dopo, è la migliore dimostrazione di quanto possa essere fertile una domanda apparentemente stupida. Erasto Mpemba, diventato poi funzionario forestale in Tanzania, ha legato per sempre il proprio nome a uno degli enigmi più democratici della scienza: uno di quelli che chiunque, con un freezer e un po' di curiosità, può provare a indagare.