בשנת 1963 עמד Erasto Mpemba, תלמיד בן 13 בטנזניה, להכין גלידה במסגרת שיעור. כמו תלמידים אחרים, הוא ערבב חלב וסוכר והכניס את התערובת למקפיא. התערובת שלו עדיין לא הייתה מוכנה, אך מחשש שלא יוותר לו מקום במקפיא, הוא הכניס את התערובת כשהיא עדיין חמה מאוד.
להפתעתו, התערובת החמה קפאה לפני תערובות אחרות שהתקררו לטמפרטורת החדר.
מפמבה המופתע שיתף את המורים שלו בתופעה וביקש הסבר, אבל הם לא התלהבו מהגילוי ו"אפקט מפמבה" הוצמד לו ככינוי של לעג. אבל אז הגיע לבית הספר פיזיקאי בריטי בשם Denis Osborne. אותו הסיפור דווקא סקרן. לאחר שחזר ל־Dar es Salaam, הוא החל לבדוק את התופעה בעצמו – הפעם עם מים.
בשנת 1969 פרסמו Mpemba ו־Osborne מאמר מדעי על התופעה, שהפכה מאז ל־Mpemba Effect.
זאת למרות שהתעלומה בת יותר מאלפיים שנה: כבר במאה הרביעית לפני הספירה תיעד אריסטוטל תצפית שלפיה מים שחוממו קודם לכן עשויים לקפוא מהר יותר ממים קרים. מאות שנים אחריו העלה גם Francis Bacon רעיון דומה. אבל במשך תקופה ארוכה איש לא הצליח לתת לתופעה הסבר מדעי משכנע. למעשה, במשך השנים נערכו ניסויים שבהם האפקט הופיע – וניסויים אחרים שבהם הוא פשוט לא הופיע.
אם מים חמים באמת קופאים מהר יותר ממים קרים, למה זה לא קורה בכל פעם?

רגע, איך זה בכלל יכול להיות? באופן אינטואיטיבי, התשובה נראית ברורה: מים חמים צריכים להתקרר קודם עד לטמפרטורת הקיפאון, ולכן ברור לכאורה שמים שכבר התחילו קרים יותר ינצחו במרוץ. אבל מים הם מערכת מורכבת יותר ממה שנדמה. כאשר מכניסים כלי מים למקפיא, לא רק הטמפרטורה משתנה. מתרחשים במקביל תהליכים של אידוי, תנועת מים בתוך הכלי, מעבר חום, היווצרות קרח ושינויים בריכוז החומרים המומסים במים. לכן, בתנאים מסוימים, למים שהתחילו חמים יכולה להיות דווקא "נקודת פתיחה" מפתיעה.
הסבר אחד פשוט יחסית קשור לאידוי.
כאשר מים חמים נכנסים למקפיא, חלק מהם מתאדה והופך לאדי מים. המשמעות היא שכמות המים שנותרה בכלי עשויה להיות קטנה יותר – ולכן יש פחות חומר שצריך להפוך לקרח. בנוסף, האדים החמים יכולים להשפיע על סביבת הכלי ועל שכבת הכפור במקפיא.
אבל זו אינה תשובה מלאה.
הכפור יכול להפוך דווקא למבודד. הנה טוויסט מעניין יותר. במקפיא שאינו נטול כפור לחלוטין, יכולה להיווצר שכבת קרח או כפור על המדף או על משטח המגע שמתחת לכלי. כפור מכיל הרבה אוויר, ואוויר הוא מבודד תרמי טוב יחסית. כך יכול להיווצר מצב שבו כלי עם מים קרים עומד למעשה על שכבת בידוד קטנה שמאטה את מעבר החום ממנו אל המקפיא. כלי עם מים חמים עשוי להמיס חלק מהכפור שמתחתיו, ליצור מגע טוב יותר עם המשטח הקר – ואז להתקרר ביעילות רבה יותר.
במילים פשוטות: לפעמים המים החמים לא "מתקררים מהר יותר" בגלל שהם חמים, אלא בגלל שהחום שלהם משנה את התנאים סביבם.
ואז מגיעה התעלומה האמיתית: supercooling
אחד ההסברים המדעיים המעניינים ביותר קשור לתופעה שנקראת supercooling – קירור־יתר. רובנו רגילים לחשוב שמים קופאים ב־0 מעלות צלזיוס. אבל בתנאים מסוימים מים יכולים להישאר נוזליים גם כשהטמפרטורה שלהם כבר ירדה מתחת לאפס. כדי שהקרח יתחיל להיווצר, בדרך כלל דרושה מעין "נקודת התחלה" – חלקיק זעיר, אי־סדירות בדופן הכלי או גורם אחר שעליו יכול להתחיל להיבנות גביש הקרח. במים רגילים יש לכלוך, מלחים, גזים וחלקיקים זעירים שיכולים לסייע לתהליך. במים טהורים מאוד, לעומת זאת, אפשר להגיע לטמפרטורות נמוכות משמעותית מאפס מבלי שהמים יקפאו.
ופה מתחילה להיות חשובה העובדה ששתי כוסות מים לכאורה זהות אינן בהכרח זהות לחלוטין.
החוקר James Brownridge ערך במשך שנים סדרת ניסויים שנועדה לבדוק את התופעה בתנאים מבוקרים מאוד. הוא מצא שבכלים שונים של מים, טמפרטורת תחילת הקיפאון יכולה להיות שונה. הסיבה עשויה להיות הבדלים זעירים מאוד – למשל אי־סדירויות בדופן הכלי המשמשות כנקודות התחלה להיווצרות קרח.
מכאן נוצר תרחיש מפתיע: אם מים קרים יותר נכנסים למקפיא אבל ממשיכים להתקרר מתחת לאפס מבלי לקפוא, בעוד מים שהתחילו חמים מגיעים קודם לנקודת הקיפאון שלהם – המים החמים עשויים לנצח במרוץ. לא משום שהם "מתקררים מהר יותר" במובן הפשוט, אלא משום שהמים הקרים התקררו מתחת לאפס ועדיין נשארו נוזליים.

אז האם Mpemba צדק?

התשובה המדעית היא: לפעמים – אבל לא כפי שהמשפט הפופולרי גורם לנו לחשוב. אין חוק פיזיקלי פשוט שקובע שמים חמים תמיד יקפאו מהר יותר ממים קרים. למעשה, כאשר מודדים רק את הזמן הדרוש למים להגיע ל־0 מעלות בתנאים מבוקרים, אין יתרון קסום למים החמים.
מחקרים שונים הראו שהתוצאה תלויה בשורה ארוכה של תנאים: טמפרטורת ההתחלה, נפח המים, סוג הכלי, מיקום הכלי, איכות המים, קצב זרימת החום, אידוי, הסביבה בתוך המקפיא ובעיקר – האופן שבו מתחיל תהליך היווצרות הקרח. זו גם הסיבה לכך שמדענים יכולים לבצע ניסויים דומים ולקבל תוצאות שונות.
בשנים האחרונות הדיון עבר ממחשבה על "טריק" ספציפי של מים לתופעה רחבה יותר בפיזיקה: האופן שבו מערכות שאינן בשיווי משקל חוזרות למצב יציב. מחקרים במערכות פיזיקליות אחרות הראו שמערכת שהתחילה במצב "חם" יותר יכולה, בתנאים מסוימים, להגיע לשיווי משקל מהר יותר ממערכת שהתחילה במצב קריר יותר.
האם זה מוכיח שמים חמים תמיד יקפאו לפני מים קרים? ממש לא. אבל הוא כן עוזר להסביר מדוע האינטואיציה שלנו לגבי התנהגות של מערכות מחוץ לשיווי משקל אינה תמיד מספיקה.
לסיכום, הטמפרטורה היא רק חלק מהסיפור. גם הכלי, המשטח, איכות המים, האוויר, האידוי ואפילו חלקיק זעיר שאי אפשר לראות בעין יכולים לשנות את התוצאה.