La physique surprenante de l'effet Mpemba
En 1963, un adolescent curieux de Tanzanie a découvert qu'un mélange de glace chaude gèle plus rapidement qu'une glace tiède. Comme cela arrive parfois en science, l'effet qu'il a découvert a changé la façon dont nous comprenons la réalité.
Presque toutes les équations et phénomènes en physique, et dans les sciences naturelles en général, portent le nom de scientifiques qui ont consacré leur vie à l'étude approfondie d'un domaine particulier. Et pourtant, aux côtés de cette liste distinguée de personnalités, dont Newton et Pascal, Hawking et Einstein, Galilée et Feynman, se trouve également un adolescent de 13 ans originaire de Tanzanie. L'élève curieux Erasto Mpemba a découvert en 1963, tout à fait par hasard, un effet physique qui porte son nom depuis lors, bien qu'il fût déjà connu des anciens Grecs.
Mpemba a remarqué un phénomène surprenant pendant un cours de cuisine au lycée, apparemment le dernier endroit où une nouvelle science devrait naître. Tout a commencé lorsque Mpemba et ses camarades de classe ont été chargés de préparer de la glace à partir d'un mélange qui avait été bouilli puis refroidi à température ambiante avant d'être placé dans le congélateur. Mpemba n'a pas eu le temps de bien refroidir son mélange, mais il craignait que s'il attendait trop longtemps, il ne resterait plus de place pour lui dans le congélateur. Dans sa détresse, il s'est précipité pour mettre le mélange chaud directement dans le congélateur, aux côtés de ceux de ses amis qui avaient réussi à refroidir. Et voilà, à la surprise générale, son mélange chaud a gelé plus rapidement.
De l'expérience scolaire au débat scientifique
Mpemba a répété l'expérience avec les mêmes résultats. Mais lorsqu'il a demandé au professeur une explication, il a été accueilli par des moqueries. Ses camarades de classe ont ri et ont qualifié l'histoire de « physique de Mpemba ». Quelques années plus tard, le jeune Mpemba a rencontré le physicien britannique Dennis Osborne, qui enseignait dans le système académique en développement du « continent noir ». Osborne a écouté le jeune homme avec sérieux et a décidé de tester cela lui-même en laboratoire. En 1969, ils ont publié leur article, intitulé « Cool ? », qui discutait du phénomène d'un point de vue observationnel, sans lui donner d'explication scientifique complète.
Dans une série d'expériences, ils ont placé deux bocaux contenant 70 ml d'eau à des températures différentes dans le congélateur et ont constaté que lorsque la température initiale était supérieure à 30 degrés Celsius, une augmentation de la température initiale conduisait en fait à un raccourcissement du temps nécessaire à l'eau pour geler.
Pourquoi cela se produit-il ?
Dans un autre article, le physicien canadien G.S. Kell a tenté de fournir une explication de base. Il a fait valoir que l'eau chaude perd rapidement de la masse en raison de l'évaporation, de sorte que moins d'énergie est nécessaire pour amener l'eau restante au point de congélation. De plus, le processus d'évaporation élimine beaucoup de chaleur. Le problème est que l'effet Mpemba se produit également dans des récipients fermés, où la quantité de matière reste constante.
De plus, le phénomène contredit la loi de refroidissement d'Isaac Newton, qui lie le taux de perte de chaleur à la différence de température entre le corps et l'environnement. Selon la physique classique, l'eau chaude devrait d'abord refroidir jusqu'à la température de l'eau froide, puis geler. Ce fossé dans la compréhension a laissé l'effet Mpemba pendant longtemps comme une histoire sympathique, derrière laquelle se cachait une grande controverse théorique.
Mécanique statistique et nouveaux horizons
Ces dernières années, les premières fissures sont apparues dans l'armure du scepticisme, grâce au développement de la mécanique statistique hors équilibre. Ce domaine tente de comprendre comment les systèmes à plusieurs particules évoluent avant d'atteindre un état stable. Il est devenu clair que la physique de l'effet Mpemba est un « zoo » d'effets apparaissant dans les polymères, les systèmes magnétiques et même quantiques.
En 2017, le physicien Oren Raz de l'Institut des sciences Weizmann et son collègue Zhiwei Lu de l'Université de Caroline du Nord ont montré que lorsqu'un système est poussé loin de l'équilibre, il peut trouver des raccourcis uniques où les trajectoires les plus lentes ne sont pas exprimées. Ainsi, le système atteint l'équilibre très rapidement.
De la glace à l'informatique quantique
En 2023, une équipe de recherche, incluant la doctorante Shahaf Aharoni-Shapira, a trouvé des expressions de l'effet Mpemba dans des systèmes quantiques d'ions et de lasers. De plus, ils ont enregistré un « effet Mpemba inverse », où un système froid se réchauffe plus rapidement qu'un système initialement plus chaud.
Récemment, une équipe de physiciens dirigée par John Goold du Trinity College de Dublin a formulé un cadre théorique unique pour l'effet. Ils ont montré que les systèmes utilisant une plus grande quantité d'une ressource physique pour atteindre une destination sont capables de la consommer à un rythme très rapide. Ayant créé un nouveau paradigme, la physique de l'effet Mpemba passe maintenant à l'étape suivante, où les chercheurs continueront à déchiffrer les secrets restants de ce phénomène naturel surprenant.
