O gelado que Erasto Mpemba fez quando era adolescente, em 1963, mostrava que um líquido quente pode congelar mais depressa do que um líquido frio — lançando durante décadas o caos no mundo da Física. Afinal, era mesmo uma questão de… caos.
O gelado caseiro era uma sobremesa popular quando Erasto Mpemba era estudante, na Escola Secundária de Magamba, na Tanzânia.
Mas ninguém esperava que o gelado feito pelo estudante tanzaniano em 1963 viesse a lançar ondas de choque no mundo da Física — que se propagam até aos dias de hoje, recorda a PBS.
Motivo: o método que Mpemba usava para fazer o seu gelado caseiro mostrava que um líquido quente pode congelar mais depressa do que um líquido frio.
“Os rapazes da escola fazem-no fervendo leite, misturando-o com açúcar e colocando-o no congelador do frigorífico, depois de ter arrefecido quase à temperatura ambiente”, escreveu o tanzaniano num artigo publicado no jornal da escola em 1969.
Mas, conta o então estudante, a competição pelo espaço no congelador era intensa. Uma tarde, Mpemba e outro rapaz seguiram dois caminhos diferentes enquanto o disputavam.
O colega de Mpemba misturou o leite com açúcar e deitou-o diretamente num tabuleiro de gelo, sem o ferver. Para não ser ultrapassado, Mpemba ferveu o seu leite — mas saltou o passo de o deixar arrefecer, para poder apanhar o último tabuleiro de gelo.
“Uma hora e meia depois, a minha bandeja de leite tinha-se transformado em gelado, enquanto a dele ainda era apenas um líquido espesso“, escreveu Mpemba.
Alguns anos mais tarde, o estudante perguntou ao seu professor de Ciências porque é que isso acontecia — porque é que o leite quente congelava mais depressa do que o leite frio, contrariando a Lei de Newton do Arrefecimento.
Segundo esta lei do famoso físico britânico, a taxa de arrefecimento de um objeto é proporcional à diferença entre as temperaturas do objeto e do ambiente.
Na altura, a irónica resposta do professor foi taxativa: “tudo o que posso dizer é que essa é a física de Mpemba e não a física universal“.
O incidente tornou-se motivo de piada na sala de aula. Sempre que Mpemba se enganava num problema de matemática, o professor e os seus colegas chamavam-lhe “a matemática de Mpemba“.
Certo dia, quando o físico Denis Osborne visitou a sua escola secundária, Mpemba pediu-lhe também explicações sobre o bizarro fenómeno. Intrigado, Osborne convidou-o a visitar a que é atualmente a Universidade de Dar Es Salaam e a discutir a questão mais profundamente.
Osborne e Mpemba dedicaram-se então a estudar o misterioso comportamento do gelado e de outros líquidos, e publicaram um artigo científico sobre o assunto na revista Physics Education.
(dr) Ben Gurr / The Times
Erasto Mpemba e Denis Osborne
Um efeito conhecido
Na verdade, o comportamento contra-intuitivo do gelado de Mpemba é um fenómeno conhecido desde a antiguidade, e era mesmo, segundo Aristóteles, “do conhecimento geral”.
“Água previamente aquecida arrefece mais depressa. Muitas pessoas, quando querem arrefecer rapidamente água quente, começam por colocá-la ao sol“, escreveu o filosofo grego cerca de 340 a.C..
Também o filósofo e político inglês Francis Bacon conhecia este efeito da termodinâmica: “aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida“, escreveu na sua obra Novum Organum, de 1620. Ou seja: “água ligeiramente morna congela mais facilmente do que a água completamente fria”.
Descartes estava igualmente consciente do fenómeno: “água que foi mantida ao lume durante muito tempo congela mais depressa do que outras águas”, escreveu o filósofo, cientista e matemático francês no seu Discurso Sobre o Método.
Apesar do aparente conhecimento que existia acerca deste estranho comportamento dos líquidos, o artigo de Mpemba e Osborne lançou décadas de controvérsia no mundo da física, uma vez que desafiava uma teoria fundamental sobre o comportamento da matéria.
Durante anos, inúmeros investigadores tentaram recriar os resultados de Mpemba e Osborne, com sucesso limitado.
Em 2016, o físico Henry Burridge, do Imperial College de Londres, e o matemático Paul Linden, da Universidade de Cambridge, publicaram uma análise exaustiva de estudos que tinham tentado confirmar o fenómeno, relatando “tristemente” que não conseguiram encontrar qualquer prova do efeito Mpemba.
Pior ainda, concluíram, todos esses estudos — incluindo a experiência original de Mpemba — poderiam ter sido facilmente distorcidos por pequenos fatores experimentais, como a configuração do isolamento do equipamento ou a colocação dos termómetros.
O arrefecimento e o caos
A partir de 2017, uma nova série de estudos acabou por confirmar a observação de Mpemba, sugerindo que a explicação reside na misteriosa mecânica do caos — e que a água pode ter sido um grande obstáculo para provar a teoria mais alargada.
A água comporta-se de forma diferente da maioria das outras substâncias, especialmente quando muda de estado, entre sólido, líquido e gasoso, pelo que os cientistas que estudaram o efeito Mpemba procuraram eliminar completamente a água da equação.
Numa experiência abstrata, o físico norte-americano John Bechhoefer e os seus colegas aqueceram esferas de vidro microscópicas (destinadas a substituir as moléculas de água) com lasers e observaram a velocidade de arrefecimento.
Descobriram que não só algumas esferas quentes arrefeciam mais depressa do que as suas homólogas frias, como por vezes o faziam exponencialmente mais depressa.
“A simplicidade do estudo é parte da sua beleza”, disse a física teórica búlgara Marija Vucelja à Science News. “É uma destas configurações muito simples e já é suficientemente rica para mostrar este efeito”.
Pouco tempo depois, outro grupo de físicos publicou um artigo que sugeria uma estrutura mais abstrata para compreender o efeito Mpemba, que envolvia a modelação da dinâmica aleatória das partículas.
Os resultados destes estudos sugerem que a chave para o mistério de Mpemba é uma dose de caos: um líquido que se move rapidamente do quente para o frio está “fora de equilíbrio”, o que significa que é um sistema que não segue as regras lineares que nós (ou Newton) poderíamos esperar que seguisse.
A Science News compara o arrefecimento de um líquido quente sob o efeito Mpemba com “a forma como um caminhante pode chegar mais rapidamente a um destino começando mais longe, se esse ponto de partida lhe permitir evitar uma árdua subida de uma montanha”.
A Physics Today sugere por seu turno que é um pouco como alguém que usa trampolins para atravessar um rio: “Se tiver a energia inicial correta, pode saltar diretamente do primeiro para o terceiro sem nunca aterrar no segundo” — ou seja, uma vez que um líquido quente está mais desequilibrado do que um líquido frio, pode ter a energia certa para saltar sobre as pedras.
É sabido que o caos tem um papel importante na Física, na Matemática e até na Geografia Humana. As explicações encontradas para o Efeito Mpemba mostram-nos que intervém também na técnica de confeção de um simples gelado caseiro.
