Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πόση φυσική κρύβεται μέσα σε μια κούπα καφέ; Τι μπορεί να ανακαλύψει κάποιος, καθώς παρασκευάζει το πρωινό, αναζωογονητικό του ρόφημα;
Αυτά είναι δύο ερωτήματα μπορούν να απαντηθούν μέσα από την εξήγηση ισάριθμων «πειραμάτων», τα οποία δεν σχετίζονται μόνο με τη καθημερινή μας εμπειρία αλλά και με τη φυσική.
Για το πρώτο πείραμα, πάρτε μια κούπα και ρίχτε μέσα μία κουταλιά στιγμιαίου καφέ (ή και περισσότερες εάν νυστάζετε..). Έπειτα γεμίστε την με καυτό νερό και με ένα κουτάλι ανακατέψτε. Σηκώστε τη κούπα και με το ίδιο κουτάλι αρχίστε να χτυπάτε τη βάση της κούπας, θα παρατηρήσετε πως καθώς χτυπάτε ο ήχος που ακούγεται γίνεται συνεχώς όλο και ποιο οξύς. Η ένταση του ήχου θα συνεχίσει να αυξάνει, καθώς χτυπάτε, για περίπου ένα λεπτό. Μετά από λίγο ανακατέψτε πάλι. Όταν αρχίσετε να «κροταλίζετε» πάλι τον πάτο της κούπας με το κουτάλι σας, θα συνειδητοποιήσετε πως η ένταση του ήχου αρχίζει να μειώνεται!
Η «μελωδία» που ξεχύνεται μέσα από τη κούπα του καφέ σας οφείλεται στο φαινόμενο της ζεστής σοκολάτας (Hot chocolate effect). Η ονομασία του προέρχεται από μια ερευνητική δημοσίευση του φυσικού Φρανκ Κρόφορντ (Frank Crawford), ο οποίος εργαζόταν στο εθνικό εργαστήριο Lawrence Berkeley των ΗΠΑ και παρατήρησε το φαινόμενο καθώς έπινε τη ζεστή του σοκολάτα με μία φίλη του.
Αιτία αυτού του φαινομένου είναι οι φυσαλίδες (αέρας εγκλωβισμένος) που δημιουργούνται μέσα στο ρόφημα μετά το ανακάτεμα. Ουσιαστικά, όταν χτυπώ την κούπα με το κουτάλι, δημιουργώ ένα ηχητικό κύμα, δηλαδή μια διαταραχή, η οποία ξεκινά από τον πάτο της κούπας και ταξιδεύει με μια συγκεκριμένη ταχύτητα, μέσα από τα μόρια του καφέ μου. Τα μόρια αυτά παρουσία του ηχητικού κύματος αρχίζουν να ταλαντώνονται μπρος-πίσω, δημιουργώντας πυκνώματα και αραιώματα στο μέσο (δηλαδή, τον καφέ μου). Μέσα από τα πυκνώματα αυτά διαδίδεται ο ήχος που φτάνει στο αυτί μου. Η τετραγωνική τιμή της ταχύτητας με την οποία διαδίδεται το ηχητικό κύμα είναι αντιστρόφως ανάλογη της πυκνότητας του μέσου, επομένως οι φυσαλίδες οι οποίες είναι περιοχές υψηλής πυκνότητας μέσα στο καφέ έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση της ταχύτητας της διάδοσης. Επειδή όμως η ταχύτητα διάδοσης συνδέεται με τη συχνότητα την οποία φέρει το κύμα (τα δύο μεγέθη είναι ανάλογα), μείωση της ταχύτητας , επιφέρει μείωση της συχνότητας, άρα ποιο βαρύς, μειωμένος ήχος. Όταν όμως οι φυσαλίδες συγκεντρώνονται στην επιφάνεια της κούπας καφέ, τότε όλο και λιγότερο από το διάλυμα περιέχει σημεία μεγάλης πυκνότητας ( δηλαδή μικρότερης ταχύτητας ήχου), άρα η ένταση του ήχου αυξάνεται πλησιάζοντας την τιμή που θα είχα για ένα ρευστό χωρίς φυσαλίδες.
Για το δεύτερο πείραμα, ας πάρουμε πάλι μια κούπα καφέ. Παρατηρούμε το μαύρο, αχανές, χρώμα του καφέ να σκεπάζει το εσωτερικό της κούπας. Ρίξτε τώρα μέσα στο καφέ λίγο γάλα. Θα παρατηρήσετε πως το μαύρο χρώμα του καφέ αρχίζει να αποκτά άσπρες πινελιές λόγω του γάλατος. Αν αφήσετε για λίγη ώρα στην ησυχία της τη κούπα του καφέ, χωρίς να ανακατέψετε, θα παρατηρήσετε πως το μίγμα του καφέ απέκτησε ένα ομοιόμορφο καφέ χρώμα.
Απόρροια αυτής της ανακατανομής των μαύρων και καφέ περιοχών στο ρόφημα μου, αποτελεί ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος, ο οποίος μας εξηγεί πως για ένα κλειστό, απομονωμένο σύστημα (κούπα καφέ με γάλα), η εντροπία του (το μέτρο της αταξίας των μορίων του γάλακτος μέσα στο καφέ) συνεχώς αυξάνεται, οδηγώντας στην ανάμιξη των μορίων που βρίσκονται μέσα στο ρόφημα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα ρόφημα μεγάλης εντροπίας, δηλαδή μιας κατάστασης όπου δύσκολα (αδύνατον θα έλεγα) να διαχωρίσει κάποιος τα μόρια του καφέ από εκείνα του γάλακτος. Φτάσαμε δηλαδή σε αυτό που αποκαλούμαι στο κόσμο της φυσικής, μη αντιστρεπτή κατάσταση.
Από τα παραπάνω «πειράματα» γίνεται αντιληπτό πως η καθημερινότητα που μας περιβάλλει μπορεί να εξηγηθεί με απλότητα μέσα από την φυσική. Η μουσική μιας κούπας καφέ ή η εντροπία στο σύστημά της αποτελούν απλά την αρχή μπροστά στον μεγάλο δρόμο του ανεξερεύνητου κόσμου μας.
