Μπορεί να νομίζεις ότι οι φυσικοί θέτουν μόνο τα μεγάλα ερωτήματα. Ακούμε κυρίως για τη φυσική του κοσμικού και του μικροσκοπικού, για το σχήμα του σύμπαντός μας και τη φύση των σωματιδίων που το γεμίζουν. Αλλά οι φυσικοί, φυσικά, έχουν συνηθισμένες ζωές έξω από το εργαστήριο, και μερικές φορές ο τρόπος με τον οποίο αμφισβητούν το σύμπαν διαχέεται στις καθημερινές τους συνήθειες. Υπάρχει ένα καθημερινό αντικείμενο που φαίνεται να τους έχει γίνει ιδιαίτερη εμμονή: Τα σπαγγέτι.

Εδώ και τουλάχιστον έναν αιώνα, τα σπαγγέτι αποτελούν αντικείμενο αυστηρών μελετών. Μέσω αυτών των ερευνών, οι φυσικοί συνεχίζουν να μαθαίνουν νέα πράγματα για τη στερεά κατάσταση της ύλης, τη χημεία των τροφίμων και ακόμη και να κάνουν συνδέσεις με την προέλευση της ζωής. Ο σταθερός χείμαρρος της επιστήμης των σπαγγέτι βοηθά να καταδειχθεί ότι βαθιά ερωτήματα κρύβονται στις συνηθισμένες μας συνήθειες και ότι υπάρχουν πολλοί πεινασμένοι φυσικοί που δεν μπορούν να σταματήσουν να τα θέτουν.

Για παράδειγμα: πόσο λεπτά μπορούν να γίνουν τα σπαγγέτι; Το τυπικό σπαγγέτι – η λέξη για μια μεμονωμένη κλωστή σπαγγέτι – έχει πάχος μεταξύ ενός και δύο χιλιοστών. Αλλά άλλα μακρόστενα ζυμαρικά ποικίλλουν ευρέως σε διάμετρο, από το udon με 4mm έως τα μαλλιά αγγέλου με 0.8mm. Οι λεπτότερες χειροποίητες κλωστές ονομάζονται su filindeu, με 0,4 χιλιοστά, τόσο λεπτές που μόνο λίγες γυναίκες στο Nuoro της Ιταλίας ξέρουν πώς να τις φτιάχνουν.

Πρόσφατα, όμως, μια ομάδα ερευνητών στο University College του Λονδίνου αναρωτήθηκε αν ο εργαστηριακός εξοπλισμός του 21ου αιώνα θα μπορούσε να κάνει κάτι καλύτερο. Χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται «ηλεκτροκλώση». Αρχικά, διέλυαν το αλεύρι σε ένα ειδικό, ηλεκτρικά φορτισμένο διάλυμα σε μια σύριγγα. Στη συνέχεια κράτησαν τη σύριγγα πάνω από μια ειδική, αρνητικά φορτισμένη πλάκα. «Αυτό τραβάει το διάλυμα μέσω της βελόνας του διανομέα προς τα κάτω, προς την πλάκα συλλογής, σε ένα πολύ μακρόστενο σχήμα τύπου noodle», λέει η Beatrice Britton, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Όταν το διάλυμα στέγνωσε, οι ερευνητές έμειναν με ένα διασταυρούμενο νήμα απίστευτα λεπτού σπαγγέτι. «Με γυμνό μάτι, το μόνο που βλέπεις είναι ένα είδος φύλλου λαζάνια», λέει η Britton, αλλά ένα ισχυρό μικροσκόπιο αποκαλύπτει ένα χαλί από κλωστές τόσο λεπτές όσο 0,1 χιλιοστά. Αυτά τα ζυμαρικά είναι επίσης πολύ πιο σκληρά από τα κανονικά σπαγγέτι. Η Britton και οι συνάδελφοί της ελπίζουν ότι η έρευνά τους μπορεί να αποτελέσει ένα βήμα προς βιοδιασπώμενες εναλλακτικές λύσεις για τις πλαστικές «νανοΐνες», οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα για το φιλτράρισμα υγρών και τη θεραπεία πληγών.

Μια… ακατάστατη επιστήμη

Τα λεπτότερα σπαγγέτι στον κόσμο είναι μόνο ένα πρόσφατο παράδειγμα του πώς οι φυσικοί δεν μπορούν να σταματήσουν να χρησιμοποιούν τα εργαλεία τους για τον αγαπημένο υδατάνθρακα όλων. Αλλά το να χρησιμοποιούν οι φυσικοί τα μακαρόνια τους δεν είναι κάτι καινούργιο. Το 1949, ο φυσικός του Πανεπιστημίου Brown, George F Carrier, έθεσε το «πρόβλημα των σπαγγέτι» στο περιοδικό The American Mathematical Monthly, το οποίο έκρινε ότι είχε «σημαντικό λαϊκό και ακαδημαϊκό ενδιαφέρον». Ουσιαστικά, το πρόβλημα ισοδυναμεί με: «Γιατί δεν μπορώ να ρουφήξω μια κλωστή σπαγγέτι χωρίς να λερώσω το πρόσωπό μου με σάλτσα;».

Οι εξισώσεις του έδειξαν πώς η εκτεθειμένη κλωστή ταλαντεύεται όλο και πιο άγρια καθώς γίνεται όλο και πιο κοντή, εξασφαλίζοντας ένα τελικό χτύπημα της μακαρονάδας στα χείλη εκείνου που τα τρώει – και τη μοιραία έκρηξη σάλτσας που ο Carrier τόσο λυπόταν. Δυστυχώς, οι μαθηματικοί του τύποι δεν προσέφεραν τρόπο να αποφευχθεί το «χαστούκι» στο πρόσωπο. Είναι τόσο βαθιά χαραγμένο στους νόμους του σύμπαντος όσο και το Big Bang.

Πηγή: Royal society of chemistry

Αργότερα, δύο επιστήμονες αντέστρεψαν την πρωτοποριακή μελέτη του Carrier, διερευνώντας τι συμβαίνει όταν ένα χορδωτό αντικείμενο γλιστράει έξω από μια τρύπα αντί να απορροφάται μέσα. Ονόμασαν την εκδοχή τους «αντίστροφο πρόβλημα των σπαγγέτι», γνωστό σε κάθε ανυπόμονο καταναλωτή που έχει αναγκαστεί να φτύσει τα καυτά ζυμαρικά επειδή δεν περίμενε να κρυώσουν. Προς το παρόν, κανένας θεωρητικός φυσικός δεν έχει επιχειρήσει να λύσει το πιο περίπλοκο πρόβλημα δύο σκύλων που ρουφούν από τις δύο άκρες του ίδιου νήματος μακαρονιού.

Ο σπουδαίος Αμερικανός φυσικός των μέσων του αιώνα Richard Feynman βοήθησε να ξεκλειδώσουν οι γρίφοι της κβαντομηχανικής, εξηγώντας πώς τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν τα άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αλλά η τεράστια συμβολή του Feynman στη φυσική των σπαγγέτι είναι λιγότερο γνωστή. Ένα βράδυ, ο Feynman αναρωτήθηκε γιατί είναι σχεδόν αδύνατο να σπάσει ένα στικ σπαγγέτι σε δύο κομμάτια αντί για τρία. Αυτός και ένας συνάδελφός του πέρασαν το υπόλοιπο της βραδιάς σπάζοντας στικς σπαγγέτι μέχρι να καλύψουν το πάτωμα της κουζίνας.

Η έρευνα του Feynman για την αντιφατική φυσική των ξηρών σπαγγέτι πυροδότησε ένα τέταρτο του αιώνα των προσπαθειών για την εξήγησή τους. Αυτό συνέβη τελικά το 2005, όταν δύο Γάλλοι ερευνητές έδειξαν ότι τα μακαρόνια σπάνε πάντα σε δύο κομμάτια – στην αρχή. Αλλά μετά το σπάσιμο, καθώς τα δύο λυγισμένα κομμάτια ξανασπάσουν ευθεία, όλη η συσσωρευμένη τους τάση απελευθερώνεται σε ένα ωστικό κύμα, προκαλώντας περαιτέρω θρυμματισμό.

Το 2018, μια ομάδα επιστημόνων του ΜΙΤ βρήκε πώς να καταπνίξει το ωστικό κύμα – στρίβοντας απαλά το σκέλος του σπαγγέτι πριν το σπάσει. Η μέθοδός τους απαιτούσε εργαστηριακό εξοπλισμό, αλλά παρήγαγε αξιόπιστα ένα τέλειο ζευγάρι θραυσμάτων. Η εργασία τους παρείχε μια νέα και βαθύτερη κατανόηση των εύθραυστων ράβδων που υπερβαίνει τα σπαγγέτι- το φαινόμενο της τριπλής θραύσης είναι γνωστό στους αθλητές του άλματος επί κοντώ, για παράδειγμα.

Ένα θαύμα της μηχανικής

Πολλοί άνθρωποι όταν μαγειρεύουν μακαρόνια συνήθως σπάνε στη μέση μία δέσμη σπαγγέτι πριν τα βάλουν στο νερό που βράζει, ώστε να χωράνε οριζόντια στην κατσαρόλα. Μάλλον το ίδιο έκανε και ο Feynman, αλλά αυτό αποτελεί προσβολή για πολλούς από τους λάτρεις των σπαγγέτι ανά τον κόσμο. Αν ανήκεις στο τελευταίο στρατόπεδο, τότε τοποθετείς το πακέτο των σπαγγέτι σου όρθιο μέσα στην κατσαρόλα με το βραστό νερό και μετά το παρακολουθείς να μαλακώνει σιγά σιγά, να λυγίζει και να βυθίζεται.

Αυτή η γνώριμη συμπεριφορά των σπαγγέτι μπορεί να μη σου φαίνεται σαν γρίφος, αλλά δοκίμασε να βγάλεις ένα πρόσφατα κουλουριασμένο κομμάτι σπαγγέτι από την κατσαρόλα και να το αφήσεις να στεγνώσει. Θα παραμείνει κυρτό αντί να επιστρέψει στο αρχικό ευθύγραμμο μήκος του – κάτι σε αυτά τα πρώτα λεπτά αλλάζει αμετάκλητα τη σύνθεση του σπαγγέτι. Το 2020, δύο φυσικοί εξήγησαν τελικά αυτή τη μετατροπή των ζυμαρικών. Οφείλεται σε ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται «ιξωδοελαστικότητα» – ένα όνομα για τον μοναδικό τρόπο με τον οποίο υλικά όπως τα σπαγγέτι ανταποκρίνονται στη φυσική καταπόνηση. Αυτή η ειδική ιδιότητα επιτρέπει στο νερό να ρέει μέσα από τα εξωτερικά στρώματα του νήματος.

Η παράξενη μηχανική των μαγειρεμένων σπαγγέτι πηγαίνει ακόμη παραπέρα. Σε μια μελέτη, οι επιστήμονες έριξαν κλωστές στο έδαφος και μέτρησαν πώς συσπειρώνονται για να μάθουν για άλλα ελαστικά υλικά, από το σχοινί μέχρι τις αλυσίδες του DNA. Σε μια άλλη, οι φυσικοί έδεσαν τα σπαγγέτι σε κόμπους και μελέτησαν τι είδους πίεση θα τα έκανε να σκιστούν.

Η φυσική των μακαρονιών ξεπερνά ακόμη και τα ίδια τα ζυμαρικά – η σάλτσα είναι φορτωμένη με τα δικά της επιστημονικά μυστήρια. Όταν οκτώ Ιταλοί φυσικοί συναντήθηκαν ενώ έκαναν έρευνα στη Γερμανία, βρήκαν μια κοινή απογοήτευση στο κλασικό ρωμαϊκό πιάτο cacio e pepe.

Η σάλτσα απαιτεί πολύ λίγα υλικά – είναι βασικά ένα μείγμα από νερό ζυμαρικών και τριμμένο τυρί πεκορίνο – αλλά όλοι είχαν βιώσει τη μυστηριώδη αστάθειά της. Συχνά το τυρί συσσωρεύεται ανεπανόρθωτα, καταστρέφοντας τη σάλτσα. Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα όταν μαγειρεύεται σε μεγάλες ποσότητες, γεγονός που έκανε τους φυσικούς να διστάζουν να καλέσουν τους Γερμανούς συναδέλφους τους για δείπνο. «Δεν μπορούμε να χαλάσουμε το cacio e pepe μπροστά στους Γερμανούς», είπε ο Ivan Di Terlizzi, ο οποίος μελετά στατιστική και βιολογική φυσική στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Πολύπλοκων Συστημάτων στη Δρέσδη της Γερμανίας.

Ευτυχώς, ανάμεσά τους ήταν μερικοί από τους σημαντικότερους ειδικούς στον κόσμο στη φυσική του «διαχωρισμού φάσεων», ακριβώς το είδος του φαινομένου πήξης που ταλαιπώρησε τα ομαδικά δείπνα τους. Διαφωνώντας για τον διαχωρισμό φάσεων του cacio e pepe, συνειδητοποίησαν ότι ήταν απορίας άξιον και από επιστημονική άποψη.

«Αυτό είναι πραγματικά ένα πολύ ενδιαφέρον πρόβλημα», λέει ο Daniel Maria Busiello, συν-συγγραφέας της μελέτης για το cacio. «Έτσι αποφασίσαμε να σχεδιάσουμε μια πειραματική συσκευή για να δοκιμάσουμε στην πραγματικότητα όλα αυτά τα πράγματα».

Η «συσκευή» αποτελούνταν από ένα μπάνιο με νερό (μπορεί να το ξέρεις ως bain-marie) που είχε θερμανθεί σε χαμηλή θερμοκρασία, ένα θερμόμετρο κουζίνας, ένα τρυβλίο Petri και μια κάμερα iPhone που ήταν προσαρτημένη σε ένα άδειο κουτί. Κάλεσαν όσους περισσότερους πεινασμένους φίλους μπορούσαν να βρουν στο διαμέρισμα του Di Terlizzi και κάθισαν να μαγειρέψουν cacio e pepe για ένα Σαββατοκύριακο.

Διαπίστωσαν ότι η «απλή» σάλτσα ήταν εξαιρετικά πολύπλοκη. Χημικά, είναι ένα διάλυμα με βάση το νερό με λίγα μόνο συστατικά: άμυλο (από το νερό των ζυμαρικών), λιπίδια (από το τυρί) και δύο είδη πρωτεϊνών. Χρησιμοποιώντας τη συσκευή τους, βρήκαν μια φυσική εξήγηση για τις σβώλους που καταστρέφουν τη σάλτσα, την οποία ονόμασαν «φάση μοτσαρέλας».

Οι πρωτεΐνες, σε αντίθεση με τα περισσότερα μόρια, γίνονται πιο κολλώδεις όταν είναι θερμές. Καθώς η σάλτσα θερμαίνεται, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό οδηγεί αυτές τις πρωτεΐνες να κολλάνε στα λιπίδια και να σχηματίζουν συσσωματώματα που μοιάζουν με μοτσαρέλα. Σε ένα καλοφτιαγμένο cacio e pepe, αυτό που το αποτρέπει αυτό είναι το άμυλο, το οποίο σχηματίζει ένα προστατευτικό περίβλημα γύρω από τα μόρια των λιπιδίων, ώστε να μην μπορούν να κολλήσουν στις πρωτεΐνες. Αν η σάλτσα ζεσταθεί πολύ, η αυξημένη κολλώδης δράση των πρωτεϊνών ξεπερνά αυτό το εμπόδιο.

Μόλις κατανόησαν την επιστήμη πίσω από τη σάλτσα, ήταν σαφές πώς να τη διορθώσουν. «Αν προσθέσετε αρκετό άμυλο πάνω από ένα ορισμένο όριο, δεν θα έχετε αυτό το είδος της διαχωρισμένης κατάστασης», λέει ο Di Terlizzi. Το νερό των ζυμαρικών δεν περιέχει συνήθως αρκετό άμυλο για να εγγυηθεί αυτό το όριο, οπότε προτείνουν την προσθήκη ενός μείγματος αμύλου καλαμποκιού διαλυμένου σε νερό.

Η ομάδα αποφάσισε να ολοκληρώσει το χειρόγραφό της με μια αλάνθαστη συνταγή για το κλασικό πιάτο. Αλλά κατά την επισκόπηση της πλούσιας επιστημονικής βιβλιογραφίας, συνειδητοποίησαν ότι δεν ήταν οι πρώτοι που έφτασαν σε αυτή την επιφοίτηση του cacio. Στο όνομα της ακαδημαϊκής ακεραιότητας, παρέπεμψαν σε ένα βίντεο στο YouTube, όπου ο Ρωμαίος σεφ Luciano Monosilio, βραβευμένος με αστέρι Michelin, προτείνει την ίδια παραλλαγή για μια αλάνθαστη συνταγή – μια πρέζα άμυλο καλαμποκιού. «Είναι η μόνη μη επιστημονική αναφορά στην εργασία μας», λέει ο Di Terlizzi.

Η φυσική που χρησιμοποίησαν συνδέει τη συσσωμάτωση του cacio e pepe με ιδέες σχετικά με την προέλευση της ζωής στη Γη. Οι βιοφυσικοί χρησιμοποιούν το διαχωρισμό φάσεων για να κατανοήσουν πώς τα σταγονίδια υγρού μπορούν να πήξουν και να διαιρεθούν μέσα σε ένα διάλυμα. «Ένα σταγονίδιο που διαιρείται μοιάζει λίγο πολύ με ένα πρωτοκύτταρο», λέει ο Giacomo Bartolucci, ένας άλλος συν-συγγραφέας της μελέτης. Μέσα στις μικρές σταγόνες που προηγήθηκαν των πραγματικών κυττάρων, κάποιοι πιστεύουν ότι τα δομικά στοιχεία της ζωής μπορεί να έχουν ενωθεί μέσω μιας διαδικασίας που μοιάζει πολύ με τη φάση της μοτσαρέλας των Ιταλών. Οι ίδιες ιδέες βοηθούν τους βιολόγους να κατανοήσουν πώς συνενώνονται στον εγκέφαλο οι πλάκες που προκαλούν τη νόσο Αλτσχάιμερ.

Γιατί τα σπαγγέτι αποτελούν τέτοιο τόπο εικασιών και μελέτης για τους φυσικούς;

Κατ’ αρχάς, είναι απλό – αλεύρι, νερό και θερμότητα, λέει ο Vishal Patil, ένας από αυτούς που ανακάλυψαν τη μέθοδο συστροφής και σπασίματος, ο οποίος είναι τώρα καθηγητής μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο. Το γεγονός ότι ένας συνδυασμός τόσο λίγων συστατικών εγείρει τόσα πολλά και βαθιά ερωτήματα μιλάει για το πώς η φυσική διέπει όλα όσα βλέπετε και κάνετε, λέει ο Patil.

Μακαρόνια

Δείχνει επίσης ότι όσο βαθιά και αν οι φυσικοί εξερευνούν τα μεγάλα και τα μικρά, οι απαντήσεις μπορεί να μην επαρκούν για να εξηγήσουν τα φαινόμενα που βλέπουμε καθημερινά. Όταν πρόκειται για το cacio e pepe, όλα τα εργαλεία της θεωρητικής φυσικής μπορούν μόνο να μας πουν αυτό που ξέρει κάθε ιταλίδα γιαγιά: να κρατάτε τη φωτιά χαμηλά όταν το φτιάχνετε. Η εργαστηριακή ηλεκτροκλώση μπορεί να επιτύχει μόνο οριακά λεπτότερα σπαγγέτι από αυτά που οι γυναίκες του Nuoro της Ιταλίας φτιάχνουν καθημερινά με το χέρι.

«Τα σπαγγέτι είναι απλά ένα πολύ προσιτό πράγμα με το οποίο μπορείς να παίξεις», λέει ο Patil. Το χαμηλό κόστος των ζυμαρικών με βάση το αλεύρι είναι αυτό που τα έκανε λιχουδιά για τόσους πολλούς πολιτισμούς σε όλο τον κόσμο – τα ζυμαρικά έγιναν δημοφιλή στη Νάπολη ως φαγητό του δρόμου. Γι’ αυτό και ο Feynman δεν δίστασε να πετάξει κιλά από το υλικό στο πάτωμα της κουζίνας του.

Με πληροφορίες από BBC

Tags