Ein Gefäß mit kochend heißem Wasser gefriert im selben Gefrierfach manchmal früher zu Eis als ein Gefäß mit kaltem Wasser, obwohl das kalte Wasser einen klaren zeitlichen Vorsprung haben müsste. Dieses Phänomen trägt den Namen Mpemba-Effekt und wurde nach einem tansanischen Schüler benannt, der es 1963 bei der Herstellung von Speiseeis bemerkte. Verdunstung, Konvektion, gelöste Gase und die Struktur von Wasserstoffbrücken zählen zu den Erklärungsversuchen, die seither diskutiert werden. Bis heute ist der Mpemba-Effekt nicht restlos geklärt und liefert einen der hartnäckigsten Fälle, in denen ein einfacher Alltagsversuch die Physik vor ein echtes Rätsel stellt.
Ein Glas kochend heißes Wasser und ein Glas kaltes Wasser stehen nebeneinander im selben Gefrierfach. Die Physik sagt eigentlich klar voraus, welches der beiden zuerst zu Eis wird: das kalte, weil es der Nullgradmarke schon näher ist. Genau das aber passiert nicht immer. Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser: Dieser Satz klingt wie ein Denkfehler, ist aber die Kernaussage des sogenannten Mpemba-Effekts, benannt nach einem tansanischen Schüler, der das Phänomen 1963 in einer Kochstunde beobachtete. Was wie ein simpler Küchenversuch mit einem Eiswürfel oder einer Portion Speiseeis beginnt, führt direkt in eine der hartnäckigsten offenen Fragen der Wasserphysik. Weder Verdunstung noch Konvektion noch die Struktur der Wasserstoffbrücken im Wasser liefern bislang eine Erklärung, auf die sich alle Physiker einigen können, und genau diese Unsicherheit macht den Mpemba-Effekt bis heute zu einem der beliebtesten Rätsel unter Naturwissenschaftlern, Lehrern und neugierigen Hobbyexperimentatoren.
Die Geschichte hinter diesem Rätsel beginnt nicht erst 1963. Schon der griechische Philosoph Aristoteles notierte vor mehr als zweitausend Jahren, dass Menschen warmes Wasser zuerst in die Sonne stellten, wenn sie es schnell abkühlen wollten, und auch Gelehrte wie Francis Bacon und René Descartes hielten ähnliche Beobachtungen fest. In der Wissenschaft geriet das Phänomen jedoch in Vergessenheit, bis ein Schüler in Tansania seine Lehrer mit einer eigenen Beobachtung konfrontierte und damit eine Debatte auslöste, die bis in aktuelle physikalische Fachzeitschriften reicht. Zwischen erster Skepsis im Klassenzimmer und ernsthaften Laborversuchen an renommierten Universitäten liegt ein langer Weg, auf dem Verdunstung, gelöste Gase, Unterkühlung und moderne Experimente mit winzigen Glaskügelchen jeweils neue Teile des Puzzles beisteuerten, ohne es vollständig zu lösen. Wie diese Spur von der griechischen Antike über ein ostafrikanisches Klassenzimmer bis in aktuelle Physiklabore verläuft und was von der ursprünglichen Beobachtung tatsächlich Bestand hat, zeigt sich erst im Detail.
Im Jahr 1963 besuchte der 13-jährige Erasto Mpemba die Magamba Secondary School im tansanischen Tanga und nahm an einer Kochstunde teil, in der die Schüler aus einer gekochten Zucker-Milch-Mischung Speiseeis herstellen sollten. Die Anleitung sah vor, die heiße Mischung zunächst auf Zimmertemperatur abkühlen zu lassen, bevor sie ins Gefrierfach kam. Weil die Gefrierfächer begrenzt waren und Mpemba fürchtete, keinen Platz mehr zu bekommen, stellte er seine Mischung ungeduldig direkt aus dem Topf noch kochend heiß hinein. Als er anderthalb Stunden später nachsah, war seine Portion bereits fest gefroren, während die Mischungen seiner Mitschüler, die brav abgekühlt worden waren, noch immer flüssig in ihren Gefäßen standen. Sein Physiklehrer reagierte auf die Frage, wie das möglich sei, mit offenem Spott und erklärte, so etwas könne es schlicht nicht geben, woraufhin die Klasse über die angebliche Mpemba-Physik lachte.
Die Geschichte hätte damit enden können, wäre nicht Jahre später der britische Physiker Denis Osborne von der University of Dar es Salaam zu einem Vortrag an Mpembas weiterführende Schule eingeladen worden. Mpemba nutzte die Gelegenheit und stellte seine Beobachtung erneut zur Diskussion, diesmal vor einem Fachpublikum, das ihn ebenfalls zunächst belächelte. Osborne jedoch ließ die Frage nicht einfach fallen, sondern beauftragte einen Labortechniker, das Experiment mit Wasser statt Milch unter kontrollierten Bedingungen nachzustellen. Die Messungen bestätigten tatsächlich, dass heißere Ausgangstemperaturen unter bestimmten Bedingungen zu einem schnelleren Erreichen des Gefrierpunkts führen konnten. 1969 veröffentlichten Mpemba und Osborne gemeinsam ihre Ergebnisse unter dem Titel „Cool?" in der Fachzeitschrift Physics Education und machten damit aus einer verspotteten Schülerfrage einen ernstzunehmenden Forschungsgegenstand, der bis heute den Namen des einstigen Schülers trägt.
Tatsächlich war das Phänomen selbst weitaus älter als der Name, unter dem es heute bekannt ist. Bereits Aristoteles hielt um 300 vor Christus fest, dass Menschen warmes Wasser zuerst in die Sonne stellten, wenn sie es rasch abkühlen wollten, eine Beobachtung, die er im Rahmen seiner Theorie der Antiperistasis deutete, nach der sich eine Eigenschaft verstärkt, sobald ihr Gegenteil in der Umgebung zunimmt. Auch der englische Gelehrte Francis Bacon und der französische Philosoph René Descartes notierten Jahrhunderte später ähnliche Effekte in ihren naturkundlichen Schriften, allerdings jeweils nur als beiläufige Randbemerkung ohne systematischen Versuchsaufbau. Mit der Widerlegung der Antiperistasis-Theorie verschwand das Thema weitgehend aus der Wissenschaft und geriet über Generationen in Vergessenheit, bis ein Schüler in Ostafrika die alte Beobachtung unabhängig neu machte. Eine Übersicht des Institute of Physics zu dieser Vorgeschichte zeigt, wie sich Mpembas Fall und die antiken Aufzeichnungen ergänzen, obwohl zwischen beiden mehr als zweitausend Jahre liegen.
Seit der Veröffentlichung von 1969 haben Physiker mehrere Mechanismen vorgeschlagen, die den scheinbaren Widerspruch erklären könnten. Ein naheliegender Ansatz ist die Verdunstung: Heißes Wasser verliert durch Verdampfen an der Oberfläche kontinuierlich Masse, sodass am Ende schlicht weniger Flüssigkeit abkühlen und gefrieren muss als in einem gleich großen Gefäß mit kaltem Wasser. Ein zweiter Ansatz betrifft die Konvektion: In heißem Wasser bilden sich stärkere Strömungen, die warmes Wasser rasch an die Oberfläche transportieren, wo es effizient Wärme an die kalte Umgebungsluft abgeben kann, wodurch sich ein steilerer Temperaturgradient und eine schnellere Wärmeabgabe ergeben als in ruhigerem, kälterem Wasser. Ein dritter, oft übersehener Faktor sind gelöste Gase: Beim Erhitzen entweichen im Wasser gelöste Gase, was die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit verändert und nach einer vom Physiker Jonathan Katz vorgeschlagenen Hypothese den Wärmefluss während des Gefrierens beeinflussen könnte.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Unterkühlung: Sehr reines, kaltes Wasser kann unter den eigentlichen Gefrierpunkt abkühlen, ohne sofort zu Eis zu werden, weil ihm die Kristallisationskeime fehlen, an denen sich Eiskristalle bilden können. Erwärmtes und anschließend abgekühltes Wasser neigt dagegen seltener zu dieser Unterkühlung, sodass es den sichtbaren Übergang zu Eis manchmal tatsächlich früher erreicht, selbst wenn die reine Abkühlgeschwindigkeit gar nicht höher war. Eine 2016 veröffentlichte quantenchemische Untersuchung von Yunwen Tao und Kollegen brachte zusätzlich die Struktur der Wasserstoffbrücken ins Spiel: Beim Erhitzen verändern sich demnach Abstände und Winkel zwischen den Wassermolekülen so, dass beim anschließenden Abkühlen mehr Energie in kürzerer Zeit freigesetzt werden könnte. Keine dieser Erklärungen gilt bislang als vollständig bewiesen, und in der Fachliteratur wird meist davon ausgegangen, dass mehrere dieser Effekte je nach Versuchsaufbau gleichzeitig eine Rolle spielen.
So plausibel die einzelnen Erklärungsansätze klingen, so schwer lässt sich der Mpemba-Effekt im Labor zuverlässig reproduzieren. Schon kleine Unterschiede in der Gefäßform, im Material des Behälters oder in der genauen Position des Temperaturfühlers verändern das Messergebnis erheblich, wie Versuche verschiedener Forschungsgruppen seit den 1970er Jahren zeigten. Besonders deutlich wurde diese Problematik 2016, als die Physiker Henry Burridge und Paul Linden von der University of Cambridge in einer vielbeachteten Studie zahlreiche eigene Messreihen unter streng kontrollierten Bedingungen durchführten. Sobald sie Unterkühlungseffekte konsequent ausschlossen und die Messhöhe im Wasser exakt festlegten, verschwand der Mpemba-Effekt in ihren Daten vollständig, und die Forscher kamen zu dem Schluss, dass es keine belastbaren Belege für ein bedeutsames Phänomen dieser Art gebe. Der Physiker Jonathan Katz widersprach dieser Deutung kurz darauf öffentlich und verwies erneut auf die Rolle gelöster Stoffe im Wasser, sodass die Fachdebatte bis heute nicht endgültig entschieden ist.
Während die strenge Wasserversion des Mpemba-Effekts weiterhin umstritten bleibt, hat sich das dahinterliegende Prinzip in der Physik längst verselbstständigt. 2020 zeigten die Physiker Avinash Kumar und John Bechhoefer von der Simon Fraser University in einem vielzitierten Experiment, dass winzige Glaskügelchen in einer optischen Falle unter bestimmten Ausgangsbedingungen tatsächlich exponentiell schneller ins thermische Gleichgewicht gelangen können als unter anderen, obwohl sie dabei weiter von diesem Gleichgewicht entfernt starten. Anders als beim ursprünglichen Wasserversuch ließ sich dieses Ergebnis präzise wiederholen und mathematisch vorhersagen, weil die Forscher jeden einzelnen Parameter des Systems exakt kontrollieren konnten. Der Mpemba-Effekt ist damit längst kein reines Küchenrätsel mehr, sondern ein Modellfall dafür, dass der schnellste Weg in einen stabilen Zustand nicht zwangsläufig über die naheliegendste Route führt. Was mit einem verspotteten Schüler und einem zu heiß eingefrorenen Eisrezept begann, steht heute stellvertretend für eine ganze Familie von Effekten, bei denen Ausgangsbedingungen mehr über die Geschwindigkeit eines physikalischen Prozesses entscheiden, als die reine Intuition erwarten lässt.
Scientific Reports, Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold; doi:10.1038/srep37665