গরম পানি যখন ঠান্ডা পানির চেয়ে দ্রুত বরফে পরিণত হয়

প্রাকৃতিক বিজ্ঞানের অন্যতম চিত্তাকর্ষক অসঙ্গতি বা ধাঁধা হিসেবে দাঁড়িয়ে আছে এই ‘এমপেম্বা প্রভাব’ (Mpemba Effect)। এই ঘটনার ক্ষেত্রে, নির্দিষ্ট কিছু পরিস্থিতিতে, গরম পানি একই পরিমাণের ঠান্ডা পানির তুলনায় এবং একই পরিবেশে রাখার পর দ্রুত বরফ বা হিমায়িত অবস্থায় পৌঁছায়। এই পর্যবেক্ষণটি তাপ স্থানান্তর এবং শীতলীকরণ প্রক্রিয়া সম্পর্কে আমাদের মৌলিক ধারণাকে সরাসরি চ্যালেঞ্জ করে; যা শতাব্দী ধরে পর্যবেক্ষকদের মুগ্ধ করেছে এবং কঠোর বৈজ্ঞানিক অনুসন্ধানের জন্ম দিয়েছে।

এই প্যারাডক্স বা ধাঁধার শিকড় সুদূর অতীতে প্রোথিত। খ্রিষ্টপূর্ব চতুর্থ শতাব্দীতে, প্রখ্যাত দার্শনিক অ্যারিস্টটল লক্ষ্য করেছিলেন যে, আগে থেকে গরম করে রাখা পানি দ্রুত শক্ত বা বরফে পরিণত হওয়ার একটি অদ্ভুত প্রবণতা দেখায়। পরবর্তী যুগগুলোতে ফ্রান্সিস বেকন এবং রনে দেকার্তের মতো চিন্তাবিদদের লেখাতেও একই ধরণের পর্যবেক্ষণের কথা উঠে এসেছে। তবে, বিংশ শতাব্দীর মাঝামাঝি সময়ে পূর্ব আফ্রিকার এক তরুণ শিক্ষার্থীর তীক্ষ্ণ দৃষ্টির মাধ্যমে এই ঘটনাটি তার আধুনিক নামকরণ লাভ করে।

১৯৬৩ সালের সেই অসাধারণ আবিষ্কার

১৯৬৩ সালের কথা, ইরাস্তো বার্থোলোমিও এমপেম্বা (Erasto Bartholomeo Mpemba) নামের ১৩ বছর বয়সী এক ছাত্র তখন তাঙ্গানিকার (Tanganyika) মাগাম্বা সেকেন্ডারি স্কুলে পড়াশোনা করত; যে অঞ্চলটি শীঘ্রই স্বাধীন তানজানিয়ার অংশ হিসেবে আত্মপ্রকাশ করে। আইসক্রিম তৈরির একটি রান্নার ক্লাসে ছাত্ররা ফুটন্ত দুধের সাথে চিনি মিশ্রিত করছিল। সাধারণ নিয়ম ছিল, মিশ্রণটিকে ফ্রিজারে রাখার আগে ঠান্ডা হতে দেওয়া। কিন্তু ফ্রিজারে জায়গা কমে যাওয়ার ভয়ে এমপেম্বা একটি সাহসী পদক্ষেপ নেয়: এই তরুণ পরীক্ষক কোনো বিলম্ব না করেই তার ফুটন্ত মিশ্রণটি সরাসরি ফ্রিজারের ভেতর রেখে দেয়।

প্রায় এক ঘণ্টা ত্রিশ মিনিট পর, এমপেম্বা ফিরে এসে একটি চমকপ্রদ দৃশ্য দেখতে পায়। তার গরম মিশ্রণটি সম্পূর্ণ শক্ত আইসক্রিমে পরিণত হয়েছে, অথচ তার সহপাঠীর তৈরি করা ঠান্ডা মিশ্রণটি তখনও ঘন, তরল অবস্থাতেই রয়ে গেছে। সহপাঠী এবং শিক্ষক এই ফলাফলকে অসম্ভব বলে উড়িয়ে দেন এবং এটিকে পর্যবেক্ষণগত ভুল বা শীতলীকরণের মৌলিক নীতিগুলো বুঝতে না পারার ব্যর্থতা হিসেবে গণ্য করেন। তবে, ওই অঞ্চলের আইসক্রিম বিক্রেতারা বাস্তব অভিজ্ঞতা থেকে এই প্যাটার্ন বা নিয়মটি আগে থেকেই জানতেন।

এমপেম্বা কিন্তু দমে যায়নি, সে তার দাবিতে অবিচল ছিল। পরবর্তীতে অধ্যাপক ডেনিস অসবোর্ন (Professor Denis Osborne) নামের একজন ব্রিটিশ পদার্থবিদ ও কূটনীতিক ওই স্কুলে অতিথি হিসেবে বক্তব্য দিতে আসেন। এমপেম্বা এই সুযোগটি হাতছাড়া করেনি এবং সরাসরি তাঁকে এই প্রশ্নটি জিজ্ঞেস করে। ছাত্রের এই কথায় কৌতূহলী হয়ে অসবোর্ন এমপেম্বার সাথে যৌথভাবে নিয়ন্ত্রিত ল্যাবরেটরি পরীক্ষা পরিচালনা করেন। ১৯৬৯ সালে, তাঁরা তাঁদের এই গবেষণার ফলাফল ফিজিক্স এডুকেশন (Physics Education) জার্নালে প্রকাশ করেন। পেপারটিতে প্রমাণিত হয় যে, উচ্চ তাপমাত্রার (প্রায় ৯০ ডিগ্রি সেলসিয়াস) পানির নমুনাগুলো অনেক ক্ষেত্রেই ২৫ ডিগ্রি সেলসিয়াসের কাছাকাছি থাকা পানির নমুনার চেয়ে দ্রুত জমতে বা বরফ হতে শুরু করে।

তানজানিয়ার এই ছাত্রের অবদানের স্বীকৃতিস্বরূপ বৈজ্ঞানিক সম্প্রদায় এই ঘটনার নাম দেয় ‘এমপেম্বা প্রভাব’। ইরাস্তো এমপেম্বা পরবর্তীতে পদার্থবিজ্ঞানের পরিবর্তে বন্যপ্রাণী ব্যবস্থাপনা নিয়ে পড়াশোনা করেন এবং তানজানিয়ায় গেম ওয়ার্ডেন ও প্রিন্সিপাল গেম অফিসার হিসেবে দায়িত্ব পালন করেন। ২০২৩ সালে ৭৩ বছর বয়সে তিনি শেষ নিঃশ্বাস ত্যাগ করেন, তবে রেখে যান এমন একটি ঐতিহ্য যা আজও বিজ্ঞানীদের মধ্যে বিতর্ক এবং বিস্ময়ের জন্ম দিয়ে চলেছে।

পরীক্ষামূলক প্রমাণ এবং দীর্ঘস্থায়ী বিতর্ক

পরবর্তী অনুসন্ধানগুলোতে মিশ্র ফলাফল পাওয়া যায়। গবেষকরা ফ্রিজারের মধ্যে বিকার বা পাত্র ব্যবহার করে এই পরীক্ষার পুনরাবৃত্তি করেন এবং পানি জমতে শুরু করার বা সম্পূর্ণ শক্ত হওয়ার সময় নিখুঁতভাবে পরিমাপ করেন। কিছু পরীক্ষায় এই প্রভাবের সত্যতা নিশ্চিত হয়—বিশেষ করে যখন গরম পানির নমুনাগুলো বাষ্পীভবনের মাধ্যমে তাদের আয়তন হারায় বা যখন কনভেকশন বা পরিচলন স্রোত একটি প্রধান ভূমিকা পালন করে। তবে, অন্যান্য কিছু পরীক্ষা—যা ভ্যারিয়েবল বা পরিবর্তনশীল উপাদানগুলো কমানোর জন্য অত্যন্ত সতর্কতার সাথে নিয়ন্ত্রিতভাবে করা হয়েছিল—তাতে ধারাবাহিক ফলাফল পাওয়া যায়নি। ফলে কিছু পদার্থবিদ এই প্রভাবের পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা নিয়ে প্রশ্ন তোলেন।

একবিংশ শতাব্দীর শুরুতে রয়্যাল সোসাইটি অব কেমিস্ট্রি (Royal Society of Chemistry) দ্বারা আয়োজিত একটি প্রতিযোগিতায় এই ঘটনার ব্যাখ্যার জন্য জনসাধারণের কাছ থেকে আহ্বান জানানো হয়। বিশ্বজুড়ে ২২,০০০-এরও বেশি উত্তর জমা পড়ে। নিকোলা ব্রেগোভিচের (Nikola Bregović) জমা দেওয়া বিজয়ী ব্যাখ্যাটিতে বেশ কয়েকটি প্রস্তাবিত মেকানিজম বা প্রক্রিয়াকে একত্রিত করা হয় এবং ‘সুপারকুলিং’ (supercooling)-কে একটি বড় কারণ হিসেবে চিহ্নিত করা হয়। গরম পানি গরম করার সময় দ্রবীভূত গ্যাসগুলো হারিয়ে ফেলে, যার ফলে এটি স্বাভাবিক হিমাঙ্কের কাছাকাছি তাপমাত্রায় বরফের ক্রিস্টাল বা স্ফটিক গঠন করতে পারে। অন্যদিকে, ঠান্ডা পানির নমুনাগুলো শক্ত হওয়ার আগে আরও গভীর তাপমাত্রা পর্যন্ত তরল (supercool) থাকতে পারে।

২০১৬ সালে, কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষক হেনরি বুরিজ এবং পল লিন্ডেন বিশদ বিশ্লেষণ এবং নিজস্ব পরীক্ষা পরিচালনা করেন। তাঁরা এই সিদ্ধান্তে পৌঁছান যে, অত্যন্ত নিয়ন্ত্রিত পরিস্থিতিতে, গরম পানি পরীক্ষামূলক অনিশ্চয়তার বাইরে গিয়ে কোনো নির্ভরযোগ্য বা পুনরাবৃত্তিযোগ্য উপায়ে দ্রুত ঠান্ডা বা বরফ হয় না। এই জুটি যুক্তি দিয়েছিলেন যে সুপারকুলিং, পরিচলন, বাষ্পীভবন এবং দ্রবীভূত গ্যাসের পরিবর্তনগুলো জটিল উপায়ে একে অপরের সাথে যোগাযোগ করে, তবে তা নির্ভরযোগ্যভাবে ক্লাসিক এমপেম্বা প্রভাব তৈরি করে না।

এই সংশয় থাকা সত্ত্বেও, নতুন নতুন প্রমাণ আসতে থাকে। দানাদার তরল (granular fluids), নির্দিষ্ট কিছু কলয়েড এবং অন্যান্য অ-জলীয় সিস্টেমেও অনুরূপ আচরণ দেখা গেছে, যেখানে গরম নমুনাগুলো দ্রুত ভারসাম্যাবস্থায় পৌঁছায়। ২০২০ সালে, পদার্থবিদরা অপটিক্যাল ট্র্যাপ এবং লেজার ব্যবহার করে একক-কণার কলয়েডাল সিস্টেমে একটি শক্তিশালী এমপেম্বা প্রভাব প্রদর্শন করেন, যেখানে গরম সিস্টেমগুলো দ্রুত স্থিতিশীল অবস্থায় পৌঁছায়। এর বিপরীত সংস্করণও (Inverse Mpemba effect)—যেখানে ঠান্ডা সিস্টেমগুলো দ্রুত উত্তপ্ত হয়—নিয়ন্ত্রিত পরিস্থিতিতে দেখা গেছে।

সাম্প্রতিক তাত্ত্বিক কাজ এই ধারণাকে কোয়ান্টাম জগতেও প্রসারিত করেছে। ২০২৪ এবং ২০২৫ সালের গবেষণাগুলোতে ট্র্যাপড আয়ন এবং বিমূর্ত মডেলে কোয়ান্টাম এমপেম্বা প্রভাবের অন্বেষণ করা হয়েছে; যা নির্দেশ করে যে ভারসাম্যের বাইরে থাকা সিস্টেমগুলো বিভিন্ন স্কেলে এই ধরণের অনমনীয় বা বিপরীতমুখী গতিশীলতা প্রদর্শন করতে পারে।

প্রস্তাবিত মেকানিজম বা পদ্ধতিসমূহ: রহস্যের উন্মোচন

কোন পরিস্থিতিতে এমপেম্বা প্রভাব প্রকাশ পায় তা ব্যাখ্যা করার জন্য একাধিক বাস্তব শারীরিক প্রক্রিয়াকে দায়ী করা হয়। বাষ্পীভবন (Evaporation) এর মধ্যে অন্যতম প্রধান কারণ। গরম পানির পৃষ্ঠ থেকে বাষ্প দ্রুত নির্গত হওয়ার কারণে এটি দ্রুত ভর বা আয়তন হারায়, যা হিমাঙ্কে পৌঁছানোর জন্য প্রয়োজনীয় পানির পরিমাণকে কমিয়ে দেয়। এই ভরের ক্ষতি উল্লেখযোগ্য পরিমাণে লীন তাপ (latent heat) কেড়ে নেয়, যা অবশিষ্ট তরলের সামগ্রিক শীতলীকরণকে ত্বরান্বিত করে।

পরিচলন স্রোত (Convection currents) আরেকটি পথ তৈরি করে। গরম নমুনার ক্ষেত্রে, ঘনত্বের পার্থক্যের কারণে পানির ভেতরে জোরালো সঞ্চালন ঘটে। উষ্ণ পানি ওপরে উঠে আসে এবং ঠান্ডা অংশ নিচে নেমে যায়, যা পাত্রের দেয়াল এবং উপরের বাতাসে তাপ স্থানান্তর বাড়িয়ে দেয়। পানি যখন ৪ ডিগ্রি সেলসিয়াসের কাছাকাছি পৌঁছায়, তখন এর সর্বোচ্চ ঘনত্ব একটি স্তর তৈরি করে যা ঠান্ডা নমুনার ক্ষেত্রে পরিচলন স্রোতকে বাধাগ্রস্ত করতে পারে; ফলে এটি গরম পানির তুলনায় ধীরগতিতে ঠান্ডা হয়, কারণ গরম পানি দীর্ঘ সময় ধরে গতিশীল মিশ্রণ বজায় রাখে।

দ্রবীভূত গ্যাসও (Dissolved gases) এর ওপর প্রভাব ফেলে। ট্যাপের পানি বা সাধারণ উৎসের পানিতে অক্সিজেন এবং কার্বন ডাই অক্সাইডের মতো গ্যাস দ্রবীভূত থাকে। পানি গরম করলে এই গ্যাসগুলো বের হয়ে যায়, যা বরফের ক্রিস্টাল গঠনের স্থানগুলোকে পরিবর্তন করে। গ্যাস-মুক্ত গরম পানি গভীর সুপারকুলিং ছাড়াই উচ্চ তাপমাত্রায় জমতে শুরু করতে পারে, যেখানে গ্যাসযুক্ত ঠান্ডা পানি শূন্য ডিগ্রির নিচেও দীর্ঘ সময় তরল থাকতে পারে।

সুপারকুলিং (Supercooling) অনেক ব্যাখ্যার কেন্দ্রবিন্দুতে রয়েছে। বিশুদ্ধ পানি তার সাধারণ হিমাঙ্ক শূন্য ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচেও—কখনও কখনও মাইনাস ৪৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত—তরল থাকতে পারে, যতক্ষণ না কোনো নিউক্লিয়েশন বা স্ফটিক গঠন প্রক্রিয়া একে শক্ত বরফে রূপান্তর করে। নমুনার তাপীয় ইতিহাস (যেমন আগে উত্তপ্ত করা হয়েছিল কি না) সুপারকুলিংয়ের মাত্রাকে প্রভাবিত করে। গরম নমুনাগুলো একটি নির্দিষ্ট সীমায় পৌঁছানোর পর দ্রুত বরফ হওয়ার প্রক্রিয়া শুরু করতে পারে।

অন্যান্য হাইপোথিসিস বা তত্ত্বগুলো পানির অণুগুলোর মধ্যে বিদ্যমান হাইড্রোজেন বন্ডিং নেটওয়ার্ককে (hydrogen bonding networks) নির্দেশ করে। পানি গরম করার ফলে এই গঠনগুলো এমনভাবে ভেঙে যায় যা ঠান্ডা হওয়ার সময় দ্রুত ক্রিস্টাল বা বরফের ল্যাটিসে পুনর্গঠিত হতে সাহায্য করে। কার্টোসিস (Kurtosis)—কণাগুলোর গতিশক্তির বিস্তার—কেও একটি লুকানো ভ্যারিয়েবল বা চলক হিসেবে প্রস্তাব করা হয়েছে যা নমুনার অতীত ইতিহাস দ্বারা প্রভাবিত হয়।

মাইক্রোবাবল বা ক্ষুদ্র বুদবুদ তত্ত্ব পরামর্শ দেয় যে, তীব্র ফুটন্ত পানি ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র গ্যাসের বুদবুদ তৈরি করে যা অতিরিক্ত পরিচলন মেকানিজমের মাধ্যমে অভ্যন্তরীণ তাপ পরিবহনকে বাড়িয়ে দেয়।

ব্যাপক প্রভাব এবং চিরন্তন মুগ্ধতা

এমপেম্বা প্রভাব কেবল বরফ হওয়ার সময়ের একটি কৌতূহল মাত্র নয়। এটি ‘নন-ইকুইলিব্রিয়াম থার্মোডাইনামিকস’ বা অসম-ভারসাম্য তাপগতিবিদ্যার জটিলতাগুলোকে আলোকিত করে, যেখানে স্থির অবস্থা থেকে দূরে থাকা সিস্টেমগুলো এমন আচরণ দেখায় যা সাধারণ ভারসাম্য অনুমানের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা যায় না। এর থেকে প্রাপ্ত জ্ঞান উপাদান বিজ্ঞান (materials science), ক্রায়োপ্রিজারভেশন (অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় কোষ বা অঙ্গ সংরক্ষণ), জলবায়ু মডেলিং এবং দ্রুত শীতলীকরণের সাথে জড়িত শিল্প প্রক্রিয়াগুলোতে প্রয়োগ করা যেতে পারে।

এই গল্পটি মানুষের কৌতূহলের শক্তিকে প্রমাণ করে। একজন স্কুলছাত্রের সূক্ষ্ম পর্যবেক্ষণ, যা প্রাথমিকভাবে উপহাসের পাত্র হয়েছিল, তা প্রাচীন দার্শনিক থেকে শুরু করে আধুনিক ল্যাবরেটরি পর্যন্ত সবাইকে নতুন করে ভাবতে বাধ্য করেছে। এটি দেখায় যে গভীর বৈজ্ঞানিক রহস্য আমাদের দৈনন্দিন পরিবেশ—একটি রান্নাঘর, একটি ফ্রিজার বা দুধ ও চিনির একটি সাধারণ মিশ্রণ থেকেও বেরিয়ে আসতে পারে।

বিশ্বজুড়ে ল্যাবরেটরিগুলোতে গবেষকরা এমন পরিস্থিতিগুলো আলাদা করার জন্য তাঁদের কাজের পদ্ধতিকে আরও উন্নত করছেন যেখানে এই প্রভাবটি নির্ভরযোগ্যভাবে দেখা যায়। স্ফটিক গঠনের হাই-স্পিড ইমেজিং থেকে শুরু করে নিখুঁত থার্মাল ম্যাপিং—উন্নত যন্ত্রপাতি এই বিষয়ে আরও গভীর জ্ঞান প্রদানের প্রতিশ্রুতি দিচ্ছে। পানি-ভিত্তিক এই ক্লাসিক এমপেম্বা প্রভাব সার্বজনীনভাবে পুনরাবৃত্তিযোগ্য হোক বা নির্দিষ্ট পরিস্থিতির ওপর নির্ভরশীল হোক না কেন, জটিল তরলের এই অসঙ্গতি বৈজ্ঞানিক পরিমণ্ডলকে সমৃদ্ধ করেছে।

এই অসঙ্গতি আমাদের মনে করিয়ে দেয় যে প্রকৃতি আমাদের সাধারণ অন্তর্দৃষ্টির বাইরেও অনেক সূক্ষ্ম রহস্য লুকিয়ে রাখে। ঠান্ডা পানির চেয়ে গরম পানির দ্রুত বরফ হওয়া আবিষ্কারের সেই রোমাঞ্চকেই ধারণ করে: যা প্রথম নজরে অসম্ভব বলে মনে হয়, তা গভীর পরীক্ষার মাধ্যমে মৌলিক কোনো সত্যকে উন্মোচন করতে পারে। এমপেম্বা প্রভাব পদার্থবিজ্ঞানের কেবল একটি পাদটীকা নয়, বরং এটি বৈজ্ঞানিক অধ্যবসায় এবং প্রাকৃতিক বিশ্বকে বোঝার অন্তহীন প্রচেষ্টার এক প্রাণবন্ত প্রতীক।