Sıcak su soğuk sudan önce donabilir mi?

Tanzanya, 1963. Magamba Ortaokulu'nun yatakhanesinde dondurma yapmak bir yarış işi. Tarif basit: sütü kaynat, şekerle karıştır, soğumasını bekle, buzluğa koy. Ama okulda tek buzdolabı var ve buz kalıbı kapmak isteyen çok. O gün on üç yaşındaki Erasto Mpemba sütünü henüz kaynatmışken, bir arkadaşının son boş kalıba yöneldiğini görüyor. Beklerse yerini kaybedecek. Buzdolabına sıcak şey konmaz, bozulur diye bilinir ama Mpemba riski göze alıyor ve kaynar karışımı olduğu gibi buzluğa sürüyor. Bir buçuk saat sonra iki çocuk birlikte bakıyor: Mpemba'nın sıcak koyduğu karışım dondurma olmuş. Arkadaşının baştan soğuk olan karışımı hâlâ koyu bir sıvı.¹

Mpemba bunu fizik öğretmenine soruyor. Aldığı cevap, bilim tarihine geçecek cinsten: "Kafan karışmış, öyle bir şey olamaz." Mesele orada kapanabilirdi. Kapanmadı, çünkü Mpemba inatçıydı. Tatilde Tanga şehrinde dondurmacılık yapan bir arkadaşına sordu; adam güldü, "biz zaten hep sıcak koyarız, daha hızlı donuyor" dedi. Sokaktaki dondurmacıların ezbere bildiği şeyi, okuldaki fizik bilmiyordu.

"Mpemba fiziği, senin fiziğin"

Yıllar sonra Mpemba liseye geçtiğinde okula bir konuk geldi: Darüsselam Üniversitesi'nden fizikçi Denis Osborne. Konferans bitince Mpemba elini kaldırdı ve o meşhur soruyu sordu: "Aynı hacimde iki kap su alsanız, biri 35 derece, öbürü 100 derece, ikisini de buzluğa koysanız, önce 100 derecelik donuyor. Neden?" Sınıf kahkahaya boğuldu. Öğretmenlerinden biri sonraları onunla dalga geçmek için "Mpemba matematiği mi bu?" diyecek kadar ileri gitti. Ama Osborne gülmedi. "Bilmiyorum, ama deneyeceğim" dedi ve sözünü tuttu. Üniversitedeki laboratuvarında deneyi yaptı ve şaşkınlıkla gördü ki çocuk haklı görünüyordu. 1969'da ikisi, Physics Education dergisinde "Cool?" başlıklı bir makaleyi birlikte yayımladı: bir lise öğrencisiyle bir fizik profesörünün ortak imzası.¹

Hikâyenin güzelliği şurada: yepyeni bir keşif bile değildi bu. Aristoteles iki bin yıldan uzun süre önce, suyu hızlı soğutmak isteyenlerin önce güneşe koyduğunu yazmıştı. Francis Bacon "ılık su, tamamen soğuk olandan daha kolay donar" diye not düşmüştü; Descartes ise ateşte uzun süre tutulmuş suyun diğerlerinden hızlı donduğunu bizzat denediğini bir mektubunda savunmuştu.² Sonra bilim modernleşti, termodinamik geldi ve bu gözlem "köylü inanışı" rafına kalktı. Ta ki Tanzanyalı bir öğrenci, kimsenin sormaya cesaret edemediği soruyu yüksek sesle sorana kadar. O gün bugündür olayın adı Mpemba etkisi.

Peki bu nasıl mümkün olabilir?

İlk bakışta olay fizik kurallarına aykırı görünüyor. 100 derecedeki su donmak için önce 35 dereceye inmek zorunda; yani soğuk suyun yaptığı her şeyi yapıp üstüne bir de fazladan yol gitmesi lazım. Nasıl olur da öne geçer? Cevap, "iki su örneği birbirinin aynısıdır" varsayımının gizlice çökmesinde saklı. Sıcaklık değişince suyun başka özellikleri de değişiyor ve yarış eşit koşullarda başlamıyor.

Yıllar içinde dört ana açıklama öne sürüldü.³ Birincisi buharlaşma: sıcak su soğurken bir kısmını buhar olarak kaybeder, geriye donacak daha az su kalır; ayrıca buharlaşmanın kendisi ısı götürür. İkincisi çözünmüş gazlar: kaynamış su, içindeki havayı büyük ölçüde atmıştır ve bunun suyun soğuma davranışını değiştirebileceği öne sürülür. Üçüncüsü konveksiyon: sıcak su kabın içinde daha güçlü akıntılarla karışır, ısısını yüzeye daha verimli taşır ve bu avantajı soğurken bir süre korur. Dördüncüsü ve belki en sinsisi, aşırı soğuma: su her zaman sıfır derecede donmaz; bazen buz kristali başlatacak bir çekirdek bulamayıp eksi beşe, eksi ona kadar sıvı kalır. Bazı deneylerde baştan soğuk olan su daha derin aşırı soğumaya takılırken, sıcaktan gelen su daha erken kristallenmeye başladı. Yani soğuk su yarışı önde götürürken bitiş çizgisinin önünde durup bekledi.

Dört mekanizma da gerçek, dördü de ölçülebilir. Sorun şu ki hiçbiri tek başına bütün gözlemleri açıklayamıyor ve hepsi birbirine dolanıyor. Üstelik ortada daha derin bir soru var: acaba açıklamaya çalıştığımız şey gerçekten var mı?

2016: "Üzülerek söylüyoruz, bir şey bulamadık"

2012'de İngiltere Kraliyet Kimya Derneği, Mpemba etkisini açıklayana ödül vaat eden bir yarışma açtı ve dünyanın dört bir yanından yirmi iki bini aşkın başvuru geldi. Bu şenlik havası, iki İngiliz bilim insanının içine dert oldu. Henry Burridge ve Paul Linden, "herkes açıklıyor da, olayı düzgün ölçen var mı?" diye sordu. Titizlikle kontrol edilmiş deneyler kurdular, literatürdeki bütün ölçümleri taradılar ve 2016'da vardıkları sonucu ilan ettiler: iki su örneği, aralarındaki tek fark başlangıç sıcaklığı olacak şekilde aynı koşullarda sıfır dereceye soğutulduğunda, sıcak olan her seferinde daha uzun sürede soğuyor. Makaledeki cümle edebiyata girecek kadar zarif: "Üzülerek belirtelim ki Mpemba etkisine dair anlamlı bir gözlemi destekleyen kanıt bulamadık."⁴

Daha da can alıcısı, eski deneylerdeki pozitif sonuçların nereden gelmiş olabileceğini gösterdiler: termometrenin yeri. Kaptaki suyun sıcaklığı her noktada aynı değil; ölçüm noktası bir santimetre kayarsa, ortada olmayan bir Mpemba etkisi ölçülmüş gibi görünebiliyor. Taradıkları literatürde bu hata payına sığmayacak kadar büyük etki gösteren tek çalışma, ironik biçimde, Mpemba ile Osborne'un orijinal makalesiydi. Onu da bugün birebir yeniden üretebilen yok.

Peki bitti mi? Hayır. İtiraz edenler önemli bir noktaya işaret ediyor: Burridge ve Linden donmayı değil, suyun sıfır dereceye inme süresini ölçtü. Mpemba'nın gördüğü şey ise donmanın tamamlanmasıydı ve donma, aşırı soğuma ve kristalleşme gibi kaotik süreçler yüzünden bambaşka bir hayvan. "Senin ölçtüğün şey benim etkim değil" diyenlerle "doğru dürüst tanımlayamadığınız şeyi savunamazsınız" diyenler arasındaki bu kavga hâlâ sürüyor.

Hikâyenin beklenmedik ikinci perdesi

Tam "etki galiba folklordu" denecekken, iş bambaşka bir yerden alevlendi. 2017'de iki teorik fizikçi, Zhiyue Lu ve Oren Raz, soruyu sudan tamamen kopardı: acaba herhangi bir fiziksel sistem, dengeden uzak başlatıldığında, daha sıcak olanın daha hızlı soğuduğu bir yol izleyebilir mi? Matematiksel cevapları evetti; belirli koşullarda sıcak sistem, soğuma yolculuğunda kestirmeden gidebiliyordu.⁵ Ve 2020'de Kanada'daki Simon Fraser Üniversitesi'nden Avinash Kumar ile John Bechhoefer, bu öngörüyü laboratuvarda doğruladı: su yerine, suya batırılmış mikroskobik cam boncuklarla kurdukları düzenekte, sıcak başlatılan sistemin katlanarak daha hızlı soğuduğunu ölçtüler. Sonuçlar Nature'da yayımlandı ve teoriyle birebir örtüştü.⁶

Bugünkü tablo şöyle: senin mutfaktaki buzlukta, musluk suyuyla, güvenilir biçimde tekrarlanabilen bir Mpemba etkisi gösterilebilmiş değil. Ama "Mpemba benzeri" etkiler, yani sıcak olanın hedefe önce varması, fizikte gerçek ve artık matematiği yazılmış bir olgu. Erasto Mpemba'nın dondurma kabında tam olarak ne olduğunu hâlâ bilmiyoruz; belki buharlaşmaydı, belki aşırı soğumanın cilvesi, belki buzluğun kapağının kaç kez açıldığı. Ama sorduğu soru, altmış yıl sonra termodinamiğin en canlı araştırma damarlarından birini besliyor.

Mpemba etkisinin asıl dersi suyla ilgili değil: "öyle şey olmaz" cümlesinin, bilimde en pahalı cümle olduğuyla ilgili. bu yazının tek cümlelik özeti

Bir öğretmenin özrü

Erasto Mpemba büyüyünce bilim insanı olmadı; Tanzanya'da yaban hayatı yönetimi okudu, ülkesinin doğa koruma teşkilatında çalıştı ve 2023'te hayata veda etti. Denis Osborne ile dostlukları ömür boyu sürdü. Osborne yıllar sonra o günü anlatırken, asıl utanması gerekenin kim olduğunu hiç unutmadı: bir çocuğun gözlemini denemeden çöpe atan yetişkinler. Kendisinin farkı, "bilmiyorum" demeyi bilmesiydi.

Bu arada evde deneyeceksen küçük bir uyarı: buzluğa kaynar kap koymak dondurucuyu yorar, buzlanmayı artırır ve çoğu deneme zaten "başarısız" olur, çünkü etki kaprisli. Ama dene yine de. İki özdeş bardak, biri ılık biri soğuk, yan yana. Sonuç ne çıkarsa çıksın, altmış yıldır fizikçileri birbirine düşüren bir deneyin tekrarını mutfağında yapmış olacaksın. Kaç bardak su bu kadar hikâye taşır?