Zunächst aus purer Neugier forschend, haben Forscher eine Entdeckung gemacht, die die Lücke zwischen den Beobachtungen des Aristoteles vor zwei Jahrtausenden und dem modernen Verständnis schließt und gleichzeitig die Tür zu einer ganzen Reihe „cooler“ – und „abkühlender“ – Implikationen öffnet.
Der Mpemba-Effekt ist vor allem als verblüffendes Phänomen bekannt, bei dem heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Beobachtungen des kontraintuitiven Effekts gehen auf Aristoteles zurück, der vor über 2.000 Jahren feststellte, dass die Griechen von Pontus diesen Effekt bei ihren Fischereipraktiken ausnutzten.
Der Mpemba-Effekt hat im Laufe der Geschichte auch die Neugier anderer großer Geister wie René Descartes und Francis Bacon geweckt. Es ist weiterhin Gegenstand zahlreicher Broadsheet-Artikel und taucht regelmäßig als merkwürdiger Schwerpunkt in verschiedenen Situationen auf, beispielsweise beim Kochwettbewerb MasterChef, bei dem Teilnehmer versucht haben, den Effekt zu nutzen, um gefrorene Köstlichkeiten schneller zu liefern, als es bei Dessert-Wettbewerben möglich erscheint.
Und jetzt können wir sagen, dass dieser seltsame Effekt viel allgegenwärtiger ist, als wir bisher erwartet hatten, da das Trinity QuSys-Team unter der Leitung von Prof. John Goold von der School of Physics gerade einen veröffentlicht hat Forschungsarbeit im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung. Der Artikel beschreibt ihren Durchbruch beim Verständnis des Effekts in der sehr unterschiedlichen – und äußerst komplexen – Welt der Quantenphysik.
Prof. Goold sagte: „Der ‚Mpemba-Effekt‘ hat seinen Namen von Erasto Mpemba, der als Schulkind im Jahr 1963 in seinem Hauswirtschaftsunterricht in Tansania Eis herstellte. Mpemba wartete nicht, bis seine heiße Eismischung abgekühlt war.“ bevor er es direkt in den Kühlschrank stellte und wenig überraschend feststellte, dass es vor allen kälteren Proben seiner Klassenkameraden erstarrte.
„Er machte seinen Lehrer darauf aufmerksam, der ihn verspottete, weil er sich nicht mit Physik auskannte – Newtons Abkühlungsgesetz sagt uns zum Beispiel, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt abkühlt, proportional zum Temperaturunterschied zwischen dem Objekt und seiner Umgebung ist. Allerdings , überredete Mpemba einen Gastprofessor – Denis Osoborne von der Universität Daressalam –, zu testen, was er gesehen hatte, und die beiden veröffentlichten eine Arbeit, die tatsächlich den seltsamen Effekt belegte.“
Während der Mpemba-Effekt immer noch nicht vollständig verstanden ist – sein Vorhandensein auf makroskopischer Ebene wird heftig diskutiert – ist er auf der mikroskopischen Ebene viel offensichtlicher, wo Physiker die Theorie der Quantenmechanik zur Beschreibung der Natur nutzen.
Der Quanten-Mpemba-Effekt ist in letzter Zeit zu einem Trendthema geworden, aber unzählige Fragen schwebten in der Luft; In welcher Beziehung steht beispielsweise der Quanteneffekt zum ursprünglichen Effekt? Und können wir einen thermodynamischen Rahmen konstruieren, um das Phänomen besser zu verstehen?
Der Durchbruch der QuSys-Forschungsgruppe beantwortet einige der Schlüsselfragen.
Prof. Goold sagte: „Wir sind Experten auf dem Gebiet der Schnittstelle zwischen Nichtgleichgewichts-Thermodynamik und Quantentheorie und verfügen daher über das richtige Werkzeug, um diese Fragen anzugehen. Unsere Arbeit liefert im Wesentlichen ein Rezept zur Erzeugung des Mpemba-Effekts in Quantensystemen.“ wobei eine physikalische Transformation durchgeführt werden kann, die das Quantensystem effektiv „erwärmt“
Mithilfe des Werkzeugkastens der Nichtgleichgewichts-Quantenthermodynamik ist es dem Team gelungen, die Lücke zwischen den Beobachtungen des Aristoteles vor zwei Jahrtausenden und unserem modernen Verständnis der Quantenmechanik zu schließen.
Und es öffnet nun die Tür zu vielen forschungs- und anwendungsbezogenen Fragen.
Prof. Goold fügte hinzu: „Obwohl wir dieses Projekt zunächst aus intellektueller Neugier in Angriff nahmen, zwang es uns dazu, mehrere grundlegende Fragen über die Beziehung zwischen den Gesetzen der Thermodynamik, die die Abkühlung beschreiben, und der Quantenmechanik, die die Realität auf der fundamentalen Ebene beschreibt, zu stellen.“ Wir entwickeln derzeit einen geometrischen Ansatz für das Problem, der es uns hoffentlich ermöglichen wird, verschiedene Arten von Mpemba-Effekten im gleichen mathematischen Rahmen zu verstehen.
„Bei diesem wirklich ‚coolen‘ Mpemba-Effekt handelt es sich tatsächlich um eine Möglichkeit, die Abkühlung zu beschleunigen – und die Kühlung von Quantensystemen ist für Anwendungen in der Quantentechnologie absolut unerlässlich. Vor diesem Hintergrund bin ich mir sicher, dass einige der Werkzeuge, die wir haben.“ Die Entwicklung zur Untersuchung dieses grundlegenden Effekts wird von größter Bedeutung für das Verständnis von Dingen wie Wärmeflüssen und der Minimierung der Verlustleistung in zukünftigen Technologien sein.“
Weitere Informationen:
Mattia Moroder et al, Thermodynamik des Quanten-Mpemba-Effekts, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.140404. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.16959