「お湯のほうが水より早く凍る」は、本当かどうか決着していない

アフリカのタンザニアのある学校で、生徒たちがアイスクリームを作っていました。材料は牛乳と砂糖です。

ところが、エラスト・ムペンバ（Erasto B. Mpemba）という生徒は、冷凍庫の空いた場所がなくなるのを心配しました。そこで、煮立てたばかりの熱い液を冷まさずに、そのまま冷凍庫に入れてしまいます。もう一人の生徒は、煮ていない液を入れました。

1時間半後。凍っていたのは、ムペンバの熱い液のほうでした。もう一人の液は、まだ凍っていませんでした。

これが、「お湯のほうが水より早く凍る」という話、いわゆる「ムペンバ効果」の始まりとして知られる出来事です。この話は今も、ネットや雑学でくり返し紹介されます。では、本当にお湯は早く凍るのでしょうか。調べていくと、お湯と水のどちらが早いかは、「どう測るか」で答えが変わることが分かりました。

この記事では、まずムペンバの話と、もっと古い記録を紹介します。次に、2016年のていねいな実験で、お湯と水のどちらが早く0℃になったかを見ます。最後に、お湯が先に凍った実験と、水ではないもので確かめられた例を紹介します。

01ムペンバの疑問は、1969年に大学の先生との論文になった

このアイスクリームの出来事は、1969年にムペンバ本人と大学の先生が書いた論文に出てきます。題名はたった一語、「Cool?（冷える？）」です。

ムペンバは、不思議に思ったことを放っておきませんでした。まず、友だちにたずねました。友だちの中には、アイスクリームを売って暮らしている人もいました。その人たちは、熱い液をそのまま冷凍庫に入れるやり方を使っていたといいます。先生にもたずねましたが、誰も説明できませんでした。

そこへ、ダルエスサラーム大学の講師、デニス・オズボーン（Denis G. Osborne）が学校を訪れます。ムペンバが質問すると、オズボーンは「熱い液が先に凍った」という話に興味をもち、のちに学生たちと実験を始めました。そして2人で論文を書いたのです。論文が出たとき、ムペンバはモシという町のアフリカ野生生物管理大学に所属していました。

同じ月、カナダの化学者ケル（G. S. Kell）も、「お湯が早く凍る」をテーマにした論文を出しました。ケルは、カナダには古い言い伝えがあると書いています。外に置いた木のおけは、水よりお湯を入れたほうが早く凍る、というものです。

02約2300年前、アリストテレスも「温めた水は早く凍る」と書いていた

実は、「お湯のほうが早く凍る」という話は、もっとずっと古くからあります。

古代ギリシャの哲学者アリストテレスは、『気象論』という本の第1巻12章に、こう書いています。前もって温めた水は、早く凍る。だから、ポントス地方の人々は、氷の上で釣りをするとき、さおのまわりに温かい水をかける、と。

イギリスの哲学者フランシス・ベーコンも「少し温かい水は、すっかり冷たい水より凍りやすい」と書きました。ただ、くわしい説明はなく、自分で実験したのかも分かっていません。フランスのデカルトも、お湯と水を凍らせる実験について書いています。

「温めた水は早く凍る」という話は、2000年以上前から言われてきました。それを、20世紀のタンザニアの少年が自分の目で見たのです。そのため、ムペンバの話は多くの人の興味を引いてきました。

032012年、ムペンバ効果の説明を募集すると2万2000件の応募があった

2012年、イギリスの王立化学会（化学者の団体）が、ある募集をしました。お湯が早く凍るしくみのいちばんよい説明に、賞金1000ポンドを出すというのです。集まった応募は2万2000件です。応募は11件の最終候補にしぼられました。そして2013年1月10日、受賞者が発表されます。クロアチアのザグレブ大学のニコラ・ブレゴビッチ（Nikola Bregović）でした。

優勝した説明は、お湯が早く凍る理由として、4つのしくみをあげていました。

• 蒸発：熱い水は、水が蒸発して量が減る。
• とけている気体：煮ると、水にとけた空気がぬける。
• 対流：温度の差で、水の中がぐるぐる混ざる。
• 過冷却：0℃より冷えても、すぐには凍らない。

4つとも、水の冷え方に影響しそうです。でも、その前に確かめるべきことがあります。「お湯のほうが早く凍る」こと自体が、何度やっても本当に起きるのか、です。

042016年にていねいに測ると、お湯のほうが0℃になるのが遅かった

2016年、イギリスの2人の研究者が、お湯のほうが本当に早く凍るのかを、実験で確かめました。ヘンリー・バーリッジ（Henry C. Burridge）とポール・リンデン（Paul F. Linden）です。

2人は、400gの水をビーカー3つに入れました。水は一度煮てから、冷ます時間を変えました。こうして、初めの温度をそれぞれ21.8℃、57.3℃、84.7℃にしました。そして、家庭用の冷凍庫に同時に入れ、水の真ん中の温度が0℃になるまでの時間を測りました。

結果は、次のとおりです。

• 21.8℃の水：約1時間47分。
• 57.3℃の水：約2時間38分。
• 84.7℃の水：約3時間。

熱い水ほど、0℃になるのに時間がかかりました。2人は論文の要約に、「やや残念ながら」ムペンバ効果を意味のある形で観察した証拠はない、と書いています。

05温度計の高さが1cmずれるだけで、「お湯が早い」という結果が出てしまう

バーリッジとリンデンは、それまでの研究のデータも集めて見直しました。すると、「お湯のほうが早かった」というデータの多くは、お湯と水の、かかった時間の差がほんのわずかでした。そして、温度をどの高さで測ったかを書いていない研究が、たくさんありました。

水を冷やすと、ビーカーの中では温度がそろいません。上と下、真ん中とはしで、温度が違います。2人の分析では、温度を測る高さが1cmずれるだけで、間違って「ムペンバ効果が出た」と言えてしまうことが分かりました。

お湯のほうがはっきり早かったデータは、1969年のムペンバとオズボーンのものだけでした。バーリッジとリンデンは、なぜその実験だけ大きな差が出たのかを、突きとめられませんでした。くわしく聞こうと連絡をとると、オズボーンは2014年9月に亡くなっていました。ムペンバは、タンザニアの政府で野生生物を担当する役人を務め、すでに退職していると聞きました。でも、連絡はとれませんでした。

06容器を紙やすりでざらざらにすると、お湯のほうが先に凍った

その後、お湯が先に凍る結果を出した実験もあります。2020年、バーリッジは、スウェーデンの高校生オスカー・ハルスタディウス（Oscar Hallstadius）と新しい論文を出しました。実験をしたのは、すべてその高校生です。

2人はまず、「ムペンバ効果が出た」と言うための条件を決めました。水の量が同じであること。水が、少なくとも飲み水と同じくらいきれいなこと。冷やし方も、熱を通しにくくする工夫（断熱）も同じであること。そのうえで、温かいほうの容器の内側だけを、紙やすりでざらざらにしました。

すると、お湯のほうが先に凍る結果を、くり返し出せるようになりました。お湯と水の初めの温度の差が約50℃あっても、お湯のほうが先に凍ったといいます。ざらざらの面は、氷ができるきっかけになります。そのため、ざらざらの容器では、0℃より冷えても凍らない「過冷却」が起こりにくくなったのだと考えられます。

つまり、お湯を先に凍らせることはできます。ただしそれは、お湯の容器だけをざらざらにして、お湯と水の条件にわざと違いをつけたときでした。

LECTURE

深掘り講義

ここから先は、もう一段深く。しくみ・史料・論争まで踏み込みます。

「凍った」を何で決めるかが、研究ごとにばらばらだった

ムペンバ効果について研究者の意見が分かれた一番の理由は、「何をもって早く凍ったとするか」が決まっていなかったことです。「凍る」とは、表面に氷の膜が張ることでしょうか。それとも、0℃になることか、全部が固まることでしょうか。水の量、容器、冷凍庫のどこに置くかも、研究ごとにばらばらでした。

2016年の論文は、比べるものを「0℃に下がるまでの時間」にしぼりました。水が凍り始めると、水が氷に変わっていく途中になり、温度をきちんと測るのがむずかしくなるからです。2020年の論文は、凍るところまでふくめて、条件を細かく決めて比べました。どちらも、まず「何を比べるか」を決めることから始めています。

水は、凍るきっかけがないと、0℃より冷えても凍らない

水は、0℃になればすぐ凍るわけではありません。氷の結晶ができる「きっかけ」がないと、0℃より冷えても液体のままでいることがあります。これが過冷却です。

きっかけになるのは、容器の傷や、水の中のごく小さなごみなどです。2020年の実験で、紙やすりでざらざらにした容器が効いたのは、このきっかけを増やしたからだと考えられます。つまり、どちらが先に凍るかは、水の温度だけでは決まりません。どちらの水に先にきっかけができるかでも、変わります。このことが、ムペンバ効果の実験の結果がばらつく理由の一つです。

温度計を置く場所で、「0℃になった時刻」が変わる

同じ量の水でも、温度によって重さが少し変わります。そのため、冷えていく水は、ビーカーの中でゆっくり上下に動きます。ビーカーの中の温度は場所ごとに違い、時間とともに変わります。どこに温度計を置くかで、「0℃になった時刻」が変わってしまうのです。

2016年の論文が示したのは、温度計の位置が少しずれるだけで、実験の結論が変わってしまうということでした。温度計が1cmずれただけで結論が変わるなら、その実験では、まだ「お湯が早い」とも「水が早い」とも言えません。

2人は、これまでに「効果が見えた」とする研究について、2つのパターンを指摘しています。同じことをくり返すと効果が出なかったか、温度を測った高さがくわしく書かれていなかったか、です。科学では、ほかの人が同じ手順で同じ結果を出せることが、何より大事です。手順が書かれていなければ、確かめようがありません。

水ではない小さな粒の実験で、「熱いほうが早く冷える」が確かめられた

2017年、ルーとラズという研究者は、熱の理論を使って計算しました。そして、水にかぎらず「熱いほうが早く冷える」ことが起こりうる条件を示しました。さらに、逆に「冷たいほうが早く温まる」ことも予言しました。

2020年、カナダのサイモン・フレーザー大学のクマールとベクホーファーは、この現象を、水ではないもので実験して確かめました。水の中に入れた、とても小さな粒（コロイド）を使った実験です。熱いほうが早く冷える現象は、何度やっても同じように起きました。その結果は、最近考え出された理論の計算とも、数字でよく合いました。条件をうまく選ぶと、ふつうの条件よりずっと速く冷えたといいます。

この論文は、ムペンバ効果を「水だけの不思議」ではなく、「思いがけない冷え方」という、もっと広い現象の代表例だとしています。ムペンバがアイスクリームで気づいた疑問は、水については、まだ決着がついていません。それでも、物理学の新しい研究分野につながったのです。

07まとめ

「お湯のほうが早く凍る」は、グレーです。ていねいに測った実験では、熱い水ほど0℃になるのが遅くなりました。それでも、容器をざらざらにすると、お湯が先に凍る結果を出すことはできます。そして水ではない小さな粒の実験では、「熱いほうが早く冷える」現象が本当に確かめられました。

始まりは、冷凍庫の場所取りを心配した一人の生徒でした。家で試すときは、同じコップ・同じ量・冷凍庫の同じ段にそろえて、どちらが先に凍るか見てみてください。そうすれば、アリストテレスの時代から続く疑問に、自分で測ったデータを一つ加えられます。