Pourquoi l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide : l'énigme de l'effet Mpemba

En 1963, dans une école secondaire de Magamba, en Tanzanie, un adolescent prénommé Erasto Mpemba prépare une glace maison. Pressé, il glisse dans le congélateur son mélange de lait encore brûlant, sans attendre qu’il refroidisse comme le veut la recette. Une heure et demie plus tard, sa préparation a pris bien avant celle de ses camarades, partis avec du lait tiède. Quand il ose poser la question à son professeur de physique — pourquoi le chaud a-t-il gelé avant le froid ? —, la classe se moque. “C’est la physique de Mpemba, pas la physique universelle”, lui rétorque-t-on. Le garçon ne lâche pas l’affaire. Six ans plus tard, son nom est cosigné sur un article scientifique. Et un demi-siècle après, personne n’a encore tranché.

L’idée paraît absurde. Pour atteindre 0 °C, de l’eau à 90 °C doit forcément traverser tous les paliers que de l’eau à 30 °C franchit déjà. Le chaud devrait donc, en bonne logique, toujours arriver en retard. Et pourtant, des observations répétées suggèrent qu’il n’en va pas toujours ainsi.

Une intuition qui remonte à Aristote, pas à un lycéen

Mpemba n’a rien inventé : il a redécouvert. Dès le IVe siècle avant notre ère, Aristote notait que les habitants désireux de refroidir vite leur eau l’exposaient d’abord au soleil. Au XVIIe siècle, Francis Bacon puis René Descartes évoquent eux aussi l’idée que l’eau préalablement chauffée gèle plus rapidement. L’observation traînait donc dans les marges de la science depuis plus de deux mille ans, sans jamais obtenir de statut clair.

Le mérite du collégien tanzanien fut sa ténacité. En 1969, le physicien Denis Osborne, de passage dans son école, prend la question au sérieux, refait les essais en laboratoire et constate le phénomène. L’article qu’ils publient ensemble dans la revue Physics Education donne enfin un nom à l’anomalie : l’effet Mpemba. Reconnaissance amusante de l’histoire des sciences, qui doit son baptême non à un professeur, mais à l’obstination d’un élève moqué.

Que disent vraiment les expériences en congélateur ?

Là où l’affaire se complique, c’est que reproduire l’effet à coup sûr relève du sport. Certaines équipes l’observent franchement, d’autres pas du tout, et quelques-unes obtiennent l’inverse. En 2016, une étude rigoureuse menée par des chercheurs britanniques, après des centaines de mesures, a conclu qu’ils ne parvenaient pas à le reproduire de façon fiable, jetant un froid sur la communauté.

Ce résultat ne signifie pas que le phénomène est un mythe. Il révèle surtout à quel point le résultat dépend de paramètres minuscules : le matériau et la forme du récipient, sa position sur la clayette, le contact thermique avec le support, les courants d’air du congélateur, les impuretés dissoutes, les gaz dans l’eau, et même la définition de ce qu’on appelle “geler”. Faut-il chronométrer l’apparition du premier cristal, le moment où la surface se fige, ou la solidification complète ? Selon le critère retenu, le vainqueur change.

“Le problème, ce n’est pas de savoir si l’effet existe, c’est de définir précisément ce que l’on mesure. Tant qu’on n’est pas d’accord là-dessus, deux laboratoires honnêtes peuvent obtenir des conclusions opposées.”

Voilà pourquoi l’effet Mpemba est devenu un cas d’école : il oblige à expliciter chaque hypothèse cachée d’une expérience apparemment banale.

Évaporation, convection, gaz dissous : les pistes en lice

Aucune explication unique ne fait consensus. Plusieurs mécanismes, sans doute combinés, sont régulièrement avancés.

• L’évaporation. Une eau chaude s’évapore plus vite. Elle perd ainsi une partie de sa masse, et il reste donc moins de liquide à refroidir. L’évaporation emporte aussi de l’énergie, ce qui accélère le refroidissement. Dans un bécher ouvert, ce facteur peut représenter une différence notable ; dans un récipient fermé, il disparaît.
• La convection. Chauffée, l’eau développe des courants internes qui homogénéisent et accélèrent les transferts de chaleur vers les parois. Un échantillon initialement chaud peut conserver une circulation plus active, et donc évacuer la chaleur plus efficacement, au moins un temps.
• Les gaz dissous. L’eau chaude contient moins d’oxygène et de dioxyde de carbone dissous. Or ces gaz modifient légèrement les propriétés thermiques et la formation des cristaux. L’effet reste discuté, mais il pourrait peser.
• La surfusion. C’est peut-être la clé la plus élégante. De l’eau très pure peut descendre nettement sous 0 °C sans geler, parfois jusqu’à -10 °C, faute de point d’accroche pour amorcer la cristallisation. L’eau froide, restée tranquille, tombe souvent dans cet état de surfusion et tarde à se solidifier. L’eau chaude, plus brassée et appauvrie en gaz, surfond moins et fige plus tôt.

L’addition de ces phénomènes explique pourquoi le résultat est si capricieux : selon les conditions, c’est l’un ou l’autre qui domine.

Une controverse qui agite encore les physiciens

Loin d’être un sujet folklorique, l’effet Mpemba nourrit des débats sérieux. En 2017, deux études théoriques publiées dans les Proceedings of the National Academy of Sciences ont proposé que des systèmes physiques abstraits puissent relaxer plus vite vers l’équilibre depuis un état “chaud” — un Mpemba généralisé, observé depuis dans des matériaux granulaires, des verres de spin, voire des expériences sur des billes microscopiques piégées par laser. Autrement dit, le mystère de la cuisine tanzanienne aurait des cousins inattendus dans la physique statistique de pointe.

La thermodynamique classique, qui décrit des états d’équilibre, ne suffit pas à rendre compte de ces situations. Tout se joue dans le hors-équilibre, ce domaine où un système n’a pas eu le temps de se stabiliser et où les chemins de relaxation peuvent se croiser. L’eau d’Erasto Mpemba sert ainsi de laboratoire à des questions fondamentales sur la manière dont la matière retourne au repos.

Faut-il alors mettre de l’eau chaude dans son congélateur ?

Dans la vie courante, ne comptez pas dessus. Pour fabriquer des glaçons rapidement, l’effet est trop instable pour être garanti, et chauffer l’eau gaspille de l’énergie. En revanche, l’astuce a un sens concret en hiver : verser de l’eau chaude, plus pauvre en gaz et au comportement plus prévisible, peut aider à former une patinoire lisse ou à dégeler certaines installations — un savoir-faire que connaissent bien les responsables de patinoires extérieures.

Reste la leçon la plus durable, et la plus belle. Un adolescent moqué a tenu tête à l’évidence et au sarcasme, et a forcé la science à se pencher sur un détail que tout le monde croyait trivial. Erasto Mpemba est mort en 2020, ingénieur forestier de profession, son nom à jamais accolé à une eau qui refuse de se laisser comprendre. La meilleure preuve que les grandes questions se cachent parfois dans le congélateur de la cuisine.