Um estudante de 13 anos foi ridicularizado na aula por dizer que água quente congela antes da fria

Em 1963, na escola secundária Magamba, na Tanzânia, os alunos tinham um costume: fazer sorvete. Fervia-se o leite, misturava-se o açúcar e a mistura ia para o congelador da geladeira da escola. Muita gente fazia, e havia disputa por espaço.

Erasto Mpemba estava no terceiro ano do secundário. Num dia em que um colega correu para pegar o último lugar, ele não quis esperar o leite esfriar. Nas palavras dele, decidiu "arriscar estragar a geladeira" e pôs a mistura quente lá dentro. Uma hora e meia depois, a bandeja dele tinha virado sorvete. A do colega ainda era um líquido grosso.

Seis décadas depois, a pergunta que ele fez a seguir virou um dos problemas mais teimosos da física de bancada. E a resposta mais cuidadosa que existe para a água é que o efeito, do jeito que ficou famoso, provavelmente não existe.

"Essa é a física do Mpemba"

O relato é do próprio Mpemba, na primeira metade do artigo que publicou em 1969. Já na Mkwawa High School, numa aula sobre a lei de resfriamento de Newton, ele perguntou ao professor por que o leite quente congelava antes do frio quando os dois iam juntos para a geladeira.

A resposta veio em etapas. Primeiro, "Acho que não, Mpemba". Depois, "A resposta que posso dar é que você se confundiu". Por fim: "Bem, tudo o que posso dizer é que a física do Mpemba não é a física universal" (tradução nossa).

A frase pegou. Quando ele errava uma conta de logaritmo, o professor dizia "essa é a física do Mpemba", e a turma inteira adotou a piada.

Ele não largou o assunto. Entrou num laboratório vazio e repetiu o teste com béqueres de água quente e fria. Deu o mesmo resultado. Perguntou a amigos, alguns dos quais vendiam sorvete, e a outros professores. Ninguém soube explicar.

O físico que respondeu "não sei"

A chance apareceu quando Denis Osborne, professor de física do University College de Dar es Salaam, foi dar uma palestra na escola. No fim, entre perguntas sobre como entrar na universidade, Mpemba levantou a dele.

Osborne pediu que repetisse. Depois perguntou: "É verdade? Você fez isso?". Diante do sim, respondeu: "Não sei, mas prometo tentar esse experimento quando voltar a Dar es Salaam" (tradução nossa).

Anos depois, Osborne admitiu que achou que o estudante estava errado. Na volta de carro, concluiu que ele "devia estar errado na teoria". No dia seguinte, os colegas disseram a Mpemba que ele os tinha envergonhado com aquela pergunta.

Osborne cumpriu a promessa. Um técnico do laboratório repetiu o procedimento e confirmou que a água quente congelou primeiro. E acrescentou: "Mas vamos continuar repetindo o experimento até conseguirmos o resultado certo".

O artigo saiu em 1969 na revista Physics Education, com o título "Cool?" e Erasto B. Mpemba como primeiro autor. Entre os dados de Osborne, uma amostra partindo de 90 °C chegava ao ponto de congelamento em 30 minutos, enquanto uma a 20 °C levava 100.

Uma ideia muito mais velha que o estudante

A observação não era nova. Na Meteorologia, Aristóteles escreveu que o fato de a água ter sido aquecida antes "contribui para que congele depressa: assim ela esfria mais cedo". Francis Bacon e René Descartes registraram crenças parecidas.

No mesmo mês do artigo de Mpemba e Osborne, um químico no Canadá publicou um texto sobre o folclore de baldes de madeira deixados ao relento, em que os de água quente congelariam primeiro. O nome que pegou, porém, foi o do estudante tanzaniano.

As explicações que nunca fecharam

Ao longo das décadas surgiram hipóteses de todo tipo. Em 2012, a Royal Society of Chemistry, do Reino Unido, lançou um concurso público por explicações. O texto vencedor apontou quatro fatores possíveis:

• Evaporação. A água quente perde massa e sobra menos para esfriar.
• Gases dissolvidos. Água aquecida perde gases, o que mudaria o congelamento.
• Convecção. As correntes internas de um líquido quente distribuem o calor de outro jeito.
• Super-resfriamento. A água pode ficar abaixo de 0 °C sem virar gelo, e o quanto isso acontece varia de amostra para amostra.

Um grupo de químicos em Singapura propôs ainda um mecanismo ligado às ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Em 2020, num artigo na revista Nature, dois físicos resumiram o quadro assim: muitos mecanismos foram propostos, e não existe consenso sobre a causa.

O estudo que virou a mesa

Em novembro de 2016, Henry Burridge, do Imperial College de Londres, e Paul Linden, da Universidade de Cambridge, publicaram na Scientific Reports a tentativa mais cuidadosa até então.

Primeiro, fizeram o experimento clássico. Três amostras de 400 gramas de água, fervidas e deixadas esfriar até 21,8 °C, 57,3 °C e 84,7 °C, foram ao mesmo tempo para um freezer doméstico regulado para 18 graus negativos. O resultado foi o esperado pela física comum: quanto mais quente a amostra, mais tempo ela levou para chegar a 0 °C.

Depois, reuniram os dados de estudos anteriores. Quase todas as observações apresentadas como efeito Mpemba ficavam só ligeiramente acima da linha que separa o efeito do comportamento normal. E muitos desses trabalhos nem informavam a que altura do recipiente a temperatura tinha sido medida.

Aí veio o teste decisivo. Num tanque com sete sensores em alturas conhecidas, os autores mostraram que, se a posição vertical do termômetro estivesse errada em apenas 1 centímetro, os próprios dados deles cairiam exatamente na região em que outros estudos diziam ter visto o efeito.

Os dados do artigo de 1969 eram a única exceção: mostravam diferenças enormes, muito além do que um erro desses explicaria. Burridge e Linden disseram não ter encontrado a fonte de um possível erro sistemático. Mas lembraram que, em 47 anos de tentativas, ninguém tinha conseguido reproduzir algo naquela escala, e concluíram que esses dados deviam ser considerados errados enquanto não fossem repetidos.

A conclusão geral veio numa frase rara em artigo científico: "concluímos, um tanto tristes, que não há evidência que sustente observações significativas do efeito Mpemba" (tradução nossa).

Há uma ressalva. Eles mediram o tempo até a água chegar a 0 °C, a mesma definição do artigo original. O congelamento propriamente dito depende do super-resfriamento, um processo errático, e é aí que alguns experimentos ainda veem diferenças pontuais.

Os autores tentaram ouvir os pais do efeito. Souberam que Osborne tinha morrido em setembro de 2014. Mpemba não foi localizado.

Onde o efeito sobreviveu

O nome Mpemba ganhou outra vida longe do congelador.

Em 2017, Zhiyue Lu e Oren Raz propuseram na PNAS um mecanismo geral, baseado na termodinâmica fora do equilíbrio, pelo qual um sistema quente pode esfriar mais depressa que um frio, e previram o efeito inverso no aquecimento.

Em 2020, Avinash Kumar e John Bechhoefer, da Universidade Simon Fraser, no Canadá, demonstraram na Nature um efeito Mpemba de forma reprodutível. O sistema era uma partícula microscópica imersa em água, e em certas condições o resfriamento foi exponencialmente mais rápido do que o normal. Para os autores, o fenômeno não é uma curiosidade sobre gelo, mas o protótipo de uma família de comportamentos de relaxamento anômalo.

Ou seja: a ideia de que partir de mais quente pode encurtar o caminho existe em física. O que não se sustenta é a versão do copo d'água no freezer.

Do sorvete à partícula de vidro

1. Século 4 a.C.Aristóteles escreve que água previamente aquecida congela mais depressa.
2. 1963Erasto Mpemba põe leite quente no congelador da escola Magamba, na Tanzânia.
3. 1969Sai Cool?, de Mpemba e Osborne, na Physics Education.
4. 2012A Royal Society of Chemistry promove concurso por explicações.
5. 2016Burridge e Linden concluem que não há evidência de efeito significativo na água.
6. 2020Kumar e Bechhoefer demonstram um efeito Mpemba reprodutível com partículas em água.

O detalhe que amarra tudo

Repare no que sobrou dessa história.

O fenômeno que Mpemba descreveu provavelmente não existe da forma como ficou famoso. O que derrubou a versão popular não foi uma teoria nova, mas um centímetro na posição de um sensor. É o mesmo tipo de armadilha do cavalo que parecia fazer contas: o efeito estava no jeito de medir.

E ainda assim o estudante acertou no que importava. Observou algo, foi contrariado pela autoridade da sala, testou de novo e encontrou um adulto disposto a dizer "não sei". Foi assim que a observação virou artigo, o artigo virou objeto de estudo, e o estudo acabou mostrando onde a observação provavelmente falhava. Como no efeito Mozart, foi a tentativa de repetir que separou o que era real do que era ruído.

Mpemba não virou físico. Fez carreira na área de fauna e chegou a principal funcionário de caça da Divisão de Vida Selvagem do ministério tanzaniano, segundo Burridge e Linden. Nem a data da morte dele é consenso: a viúva de Osborne disse à Quanta Magazine que ele morreu por volta de 2020; um texto da TRT Afrika publicado em junho de 2023 afirma que ele morreu em maio daquele ano.

O efeito com o nome dele continua nos livros, agora com uma nota de rodapé.