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끓는 물이 차가운 물보다 빨리 동결된다는 '음펨바 효과(Mpemba effect)'는, 확실하게 발생하는 현상이 아니어서 반세기 가깝게 정의와 진위가 논의되어 왔습니다. 그러나 2020년 8월 5일 'Nature'에 발표된 사이먼 프레이저 대학교의 물리학자 아비낫슈 쿠마 씨와 존 벡호퍼 씨의 연구로 음펨바 효과가 입증되었습니다.

Exponentially faster cooling in a colloidal system | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2560-x

A new experiment hints at how hot water can freeze faster than cold | Science News
https://www.sciencenews.org/article/physics-new-experiment-hot-water-freeze-faster-cold-mpemba-effect

The Physics of Why Hot Water Sometimes Freezes Faster Than Cold Water | Smart News | Smithsonian Magazine
https://www.smithsonianmag.com/smart-news/new-experiment-shows-why-sometimes-hot-water-cools-faster-cold-water -180975543 /

1963년 탄자니아의 중학생이었던 에라스토 · 음펨바 씨는 수업에서 냉각시킨 설탕과 우유를 섞은 액체를 교반기계로 얼리면서 아이스크림을 만드는 실습을 하고 있었습니다. 음펨바 씨는 조급하게 냉각한 액체가 아닌, 아직 뜨거운 상태의 액체를 교반기에 투입했지만, 왠지 음펨바 씨의 아이스크림은 다른 급우보다 빨리 완성되었다고 합니다.

'뜨거운 액체가 얼고 쉬워진 이유는 무엇인가?'라는 의문을 가진 음펨바 씨는 고등학교에 진학 후, 강연에서 만난 물리학 교수 데니스 G 오스본 씨에게 협력을 요청해 실험을 실시했습니다. 실험은 끓는 물과 미지근한 물을 각각 컵에 넣어 냉동하여, 어느 쪽이 먼저 얼어붙는지를 조사하는 것이었습니다. 실험의 결과는 '온수는 냉수보다 얼기 쉽다'라는 것으로, 발견된 현상은 음펨바 씨의 이름을 따서 음펨바 효과라고 명명했습니다.

그러나 오스본과 음펨바 씨가 1969년에 '온수는 냉수보다 얼기 쉽다'를 발표한 이래, 확실하게 음펨바 효과를 발생시키는 방법이 없어 약 50년에 걸쳐 음펨바 효과의 진위가 논의되어 왔습니다.

음펨바 효과를 입증한 쿠마 씨 연구팀은 사실 음 펨바 효과가 아니라 다양한 조건에서 물의 단일 분자에 가까운 크기의 유리가 물속에서 어떻게 움직일지를 실험했습니다. 실험을 위해 물을 냉각하고 있었는데, 연구팀은 고온의 유리가 저온 유리보다 빨리 냉각되는 현상을 발견했습니다.

물리학자들 사이에서는 음펨바 효과의 '동결'의 정의가 '물이 영하에 도달', '물이 얼고 시작', '완전히 얼어붙다' 등으로 의견에 나누어져 있으며 물에 포함된 미네랄 등의 성분에 따라 동결 속도에 차이가 생겨, 음펨바 효과를 입증하는 것은 어렵다고 여겨져 왔습니다.

쿠마 씨의 실험에서는 유리의 온도 변화에 초점을 맞춤으로써, 음펨바 효과를 연구하기 어렵게 하고 있던 '동결의 정의'와 '물의 성분 차이'라는 요소를 제거하고 '물의 동결 과정'이 아닌 '물의 냉각 과정'에 착안하여 음펨바 효과를 정의하고 있습니다. 수중의 유리가 냉각될 때까지의 온도 변화를 추적한 결과, 초기 온도가 고온인 유리는 저온인 유리보다 빨리 냉각되어 기하급수적으로 온도가 저하하는 것이 밝혀졌습니다. 또한 약 1000번의 시도에서 고온 유리는 저온 유리보다 약 10배 빨리 냉각되는 것도 밝혀졌습니다.

벡호퍼 씨는 자신의 연구팀이 실시한 실험시스템을 "대부분 기하학적이고 추상적인 방법으로 음펨바 효과를 표현한 것"이라고 Physics World에서 말합니다.