Glaset borde inte ha kokt. Men det gjorde det.
Ett team av fysiker tappade små kuber glas i en ugn med en elektrisk spänning om vad du skulle få från ett uttag i ditt hem. Det var tillräckligt med el för att värma upp glaset, som redan var ganska varmt från ugns omgivande värme. Men det borde inte ha varit tillräckligt med ström för att koka glaset. Glaset kokar inte förrän det når temperaturer tusentals grader över vad strömmen borde ha producerat. Och ändå, i deras ugn, när strömmen flödade och skapade ett elektriskt fält, såg fysikerna en tunn "visp av ånga" stiga från glasprovet.
För att detta skulle hända, skulle den elektriska strömmen ha behövt koncentreras i en del av glaset och ge sin energi ojämnt. Men det finns ett problem: Det är emot lagen.
Här är affären: När en elektrisk ström passerar genom ett enhetligt material ska det värmas upp hela materialet jämnt. Forskare kallar Joules första lag, efter den brittiska kemisten James Prescott Joule, som upptäckte den i början av 1840-talet. Det är ett materiellt faktum med rötter i lagen om bevarande av energi, en av de mest grundläggande reglerna som styr vårt universum. Och vi ser det på jobbet varje dag; glödlampa-glödtrådar skulle inte ha sina fina, till och med glöd utan Joules lag på jobbet.
Men denna ström verkade bryta lagen. Inte bara ånga steg från vissa delar av glaset, utan en hotspot (synlig på en infraröd kamera) dansade lätt över sin yta. Åter och igen i sina experiment dök hotspots upp.
"Det här glaset är enhetligt på mest minutnivå", Himanshu Jain, en materialforskare vid Lehigh University i Bethlehem, Pennsylvania, och medförfattare till ett papper som beskriver fenomenet som publicerades 26 februari i tidskriften Nature Scientific Reports.
Glas är en isolator och har inte bra ström; hur liten som helst, förväntas den förvandla det mesta av strömmen till värme. Konventionellt tänkande om Joules första lag skulle förutsäga att en elektrisk ström skulle värma upp glaset jämnt och få det långsamt att smälta och deformeras, berättade Jain till Live Science. Och under de flesta omständigheter är det exakt vad som händer.
"Vi tittade på mjukningen av hett glas under ett elektriskt fält," sa Jain, "och det är det som ingen hade gjort tidigare."
Den ojämna uppvärmningen, visade det sig, dumpade massor av energi nära anoden i glaset, ingångspunkten för strömmen. Så glaset smälte och avdunstades där, även om det förblev fast på annat håll. Temperaturen i hotspots var mycket varmare än resten av glaset. Vid en punkt värmdes ett enda område av glaset med cirka 2 400 F (1400 C) på mindre än 30 sekunder.
Så var Joules lag bruten? Ja och nej, sa Jain; makroskopiskt tänkte det så ut. Mikroskopiskt sett skulle svaret vara "nej" - det gällde bara inte glaset som helhet längre.
Enligt Joules första lag bör ett enhetligt elektriskt fält värma ett material jämnt. Men vid höga temperaturer värmer det elektriska fältet inte bara glaset - det förändrar sin kemiska smink.
Elektriska fält rör sig genom glas när positivt laddade joner (atomer avskalade av negativt laddade elektroner) slås ur sitt läge och bär en laddning över glaset, sade Jain. De lättaste jonerna rör sig först och bär den elektriska strömmen.
Glaset i denna installation var tillverkat av syre, natrium och kisel. Natrium, den löst bundna lätta jonen, gjorde det mesta av energitransporten. När tillräckligt med natrium skiftats ändrade det den kemiska sammansättningen av glaset nära anoden. Och när kemin förändrats var glaset mer som två olika material, och Joules lag gällde inte längre enhetligt. En hotspot bildades.
Ingen hade lagt märke till effekten tidigare, sa Jain, troligtvis för att den inte sparkar in förrän glaset redan är ganska varmt. Materialet i detta experiment utvecklade inte hotspots förrän ugnen nådde cirka 600 F (316 C). Det är inte särskilt varmt för glas, men det är mycket varmare än förhållandena under vilka de flesta elektriska maskiner som använder glas och el fungerar.
Men för nu har forskare räknat ut varför glaset kokade när det inte borde ha det. Och det är ganska spännande på egen hand.
Redaktörens anmärkning: Den här artikeln uppdaterades för att indikera att Joules lag bröts ur ett perspektiv men inte ett annat, liksom för att fixa den kemiska sammansättningen av glasuppsättningen.
