Fysiker upptäckte att man genom att studera pastans ursprung och tillagning kunde hitta grundläggande universella svar – ta reda på hur.
Du kanske tror att fysiker bara ställer stora frågor. Vanligtvis hör vi om fysiken i det kosmiska och det pyttesmå, formen på vårt universum och naturen hos de partiklar som utgör det. Men de har förstås ett vardagsliv utanför labbet, och ibland sträcker sig deras sätt att ifrågasätta universum till deras dagliga vanor. En vardaglig maträtt verkar särskilt besätta dem: spaghetti.
I minst ett århundrade har spagetti varit föremål för rigorösa studier. Tack vare denna forskning fortsätter fysiker att lära sig nya saker om materiens fasta tillstånd, matens kemi och till och med göra kopplingar till livets ursprung.
Den ständiga strömmen av spagettivetenskap bidrar till att visa att det finns djupa frågor i vår dagliga rutin, och att det finns många kunskapshungriga fysiker som inte kan sluta ställa dem.
Till exempel: hur tunn kan spagetti vara? Den typiska spaghettin (namnet på en enskild spagettisträng) är mellan en och två mm tjock.
Andra långa nudlar varierar dock mycket i diameter, från 4 mm udon till 0,8 mm änglahår. De tunnaste handgjorda strängarna kallas su filindeu, 0,4 mm, och är så tunna att endast ett fåtal kvinnor i Nuoro i Italien vet hur man gör dem.
Men nyligen undrade ett forskarteam vid University College London om 2000-talets laboratorieutrustning kunde förbättra deras prestanda. De använde sig av en teknik som kallas ”elektrospinning”. Först löste de upp mjöl i en speciell elektriskt laddad lösning i en spruta. Sedan placerade de sprutan på en speciell negativt laddad platta.
”Detta gör att lösningen, genom doseringsnålen, rinner ner i uppsamlingsplattan och får en fibrös nudelliknande form ”, förklarar Beatrice Britton, huvudförfattare till studien.
När lösningen torkade fick forskarna fram en tvärgående sträng av otroligt tunn spagetti.
”Med blotta ögat ser man bara ett slags lasagneplattor”, säger Beatrice Britton, men med ett kraftfullt mikroskop kan man se en matta av strängar som är så tunna som 0,1 mm. Dessa nudlar är också mycket styvare än vanlig spaghetti.
Britton och hans kollegor hoppas att deras forskning är ett steg mot biologiskt nedbrytbara alternativ till nanofibrer av plast, som nu används för att filtrera vätskor och behandla sår.
Stökig vetenskap
Världens tunnaste spaghetti är bara ett färskt exempel på hur fysiker inte verkar kunna sluta använda sina verktyg på allas vår favoritkolhydrat. Men att fysiker använder nudlar är inget nytt.
År 1949 ställde George F. Carrier, fysiker vid Brown University, ”spaghettiproblemet” i The American Mathematical Monthly, som kallade det ”av betydande populärt och vetenskapligt intresse”.
I grund och botten kokar problemet ner till: ”Varför kan jag inte slurpa i mig spagetti utan att få sås i ansiktet?”.
Hans ekvationer visade hur den exponerade strängen svängde med ökande kraft när den förkortades, vilket garanterade en smäll av nudeln mot slurparens läpp och det ödesdigra utbrottet av sås som Carrier så beklagade.
Tyvärr erbjöd hans matematiska formler ingen lösning för att undvika detta. Det är lika djupt inristat i universums lagar som Big Bang.
Senare vände två forskare på Carriers banbrytande studie och undersökte vad som händer när ett trådigt föremål glider ut ur ett hål i stället för att sugas in.
De kallade sin version för ”det omvända spaghettiproblemet”, som alla otåliga matgäster känner till som har tvingats spotta ut bränd pasta för att de inte väntade på att den skulle svalna.
Än så länge har ingen teoretisk fysiker försökt sig på det mer komplexa problemet med två hundar som sörplar från var sin ände av samma spagettisträng.
Den store amerikanske fysikern Richard Feynman hjälpte till att lösa kvantmekanikens mysterier genom att förklara hur de elementarpartiklar som atomer består av interagerar med varandra.
Feynmans enorma bidrag till spaghettifysiken är dock mindre välkänt.
En kväll undrade Feynman varför det är nästan omöjligt att bryta en spagettibit i två bitar i stället för tre. Han och en kollega tillbringade resten av kvällen med att bryta spagetti tills den täckte köksgolvet.
Feynmans undersökning av den kontraintuitiva fysiken hos torr spagetti ledde till ett kvarts sekel av försök att förklara den.
Detta skedde slutligen 2005, då två franska forskare visade att spagetti alltid går sönder i två delar, till en början. Men efter brottet, när de två böjda bitarna rätas ut igen, frigörs all den ackumulerade spänningen i en chockvåg, vilket orsakar ytterligare fragmentering.
År 2018 upptäckte ett team av MIT-forskare hur man kunde begränsa chockvågen: genom att försiktigt vrida spaghettisträngen innan den gick sönder. Deras metod krävde laboratorieutrustning, men producerade på ett tillförlitligt sätt ett par perfekta fragment.
Hans arbete gav en ny och djupare förståelse för spröda stavar som sträcker sig bortom spagetti; fenomenet med trevägsfraktur är välkänt för till exempel stolplyftare.
Ett mekaniskt underverk
Min (italiensk-amerikanska) mamma lärde mig att bryta ett knippe torkad spaghetti på mitten innan jag lade det i kokande vatten, så att det skulle passa horisontellt i kastrullen.
Jag antar att Feynman gjorde samma sak, men det är en skandal för många av världens spagettiätare. Om du tillhör den senare kategorin lägger du bunten med torkad spagetti upprätt i kastrullen med kokande vatten och ser hur den långsamt mjuknar, viker sig och sjunker ner.
Detta välbekanta spaghettibeteende kanske inte verkar vara en gåta, men försök att ta upp en nyrullad spaghetti ur kastrullen och låt den torka. Den kommer att förbli böjd i stället för att återgå till sin ursprungliga raka längd; något under de första minuterna förändrar oåterkalleligen spaghettins sammansättning.
År 2020 förklarade två fysiker slutligen denna transmutation. Den beror på en egenskap som kallas ”viskoelasticitet”, ett namn för det unika sätt på vilket material som spagetti reagerar på fysisk stress. Denna speciella egenskap gör att vatten kan rinna genom de yttre lagren av strängen. Den kokta spaghettins märkliga mekanik går ännu längre.
I en studie släppte forskare strängar på marken och mätte hur de lindade sig för att lära sig mer om andra elastiska material, från strängar till DNA-strängar. I en annan knöt fysiker spagetti i knutar och studerade vilka typer av påfrestningar som fick dem att rivas sönder.
Spaghettins fysik går utöver själva pastan: såsen är full av vetenskapliga mysterier. När åtta italienska fysiker träffades under en forskningsresa i Tyskland delade de en frustration över den klassiska romerska rätten cacio e pepe.
Såsen kräver mycket få ingredienser – i grund och botten är det en blandning av reserverat pastavatten och riven pecorinoost – men de hade alla upplevt dess förvirrande nyckfullhet.
Ofta klumpade osten ihop sig på ett oåterkalleligt sätt och förstörde såsen. Detta är särskilt vanligt när man tillagar osten i stora mängder, vilket gjorde att fysikerna tvekade att bjuda sina tyska kollegor på middag.
”Vi kan inte göra fel med cacio e pepe inför tyskarna”, säger Ivan Di Terlizzi, som studerar statistisk och biologisk fysik vid Max Planck-institutet för komplex systemfysik i Dresden, Tyskland.
Lyckligtvis fanns bland dem några av världens ledande experter inom fysiken för ”fasseparation”, just den typ av stelningsfenomen som plågade deras gruppmiddagar.
När de diskuterade fasseparationen av cacio e pepe insåg de att den också var förbryllande ur ett vetenskapligt perspektiv.
”Det här är ett riktigt intressant problem”, säger Daniel Maria Busiello, medförfattare till studien om cacio. ”Så vi bestämde oss för att konstruera en experimentell apparat för att testa alla dessa aspekter.
”Apparaten” bestod av ett lågtempererat vattenbad, en kökstermometer, en petriskål och en iPhone-kamera som var ansluten till en tom låda. De bjöd in alla hungriga vänner de kunde hitta till Di Terlizzis lägenhet och satte igång med att laga cacio e pepe under en hel helg.
De upptäckte att den ”enkla” såsen var enormt komplex. Kemiskt sett är det en vattenlösning med endast ett fåtal komponenter: stärkelse (från pastavattnet), lipider (från osten) och två typer av protein (också från osten). Med hjälp av sin apparat hittade de en fysikalisk förklaring till klumparna som förstörde såsen, som de kallade ”mozzarellafas”.
Proteiner, till skillnad från de flesta molekyler, blir klibbigare när de värms upp. Forskarna fann att när såsen upphettas fastnar dessa proteiner på lipiderna och bildar mozzarellaliknande klumpar.
I en välgjord cacio e pepe förhindras detta av stärkelse, som bildar ett skyddande lager runt lipidmolekylerna så att de inte fastnar på proteinerna. Om såsen värms upp för mycket kommer proteinernas ökade klibbighet att övervinna denna barriär.
När de väl förstod vetenskapen bakom såsen var det tydligt för dem hur de skulle åtgärda den. ”Om man tillsätter tillräckligt med stärkelse över en viss tröskel får man inte den här typen av separation”, säger Di Terlizzi. Pastavatten innehåller vanligtvis inte tillräckligt med stärkelse för att garantera denna tröskel, så de föreslår att man tillsätter en blandning av majsstärkelse upplöst i vatten.
Gruppen bestämde sig för att avsluta sitt manuskript med ett idiotsäkert recept på denna klassiska maträtt. Men när de granskade den rikliga vetenskapliga litteraturen insåg de att de inte var de första att uppnå denna cacio-epifani.
I den akademiska integritetens namn citerade de en YouTube-video där den romerske stjärnkocken Luciano Monosilio föreslår samma trick för ett idiotsäkert recept: en nypa majsstärkelse. ”Det är den enda icke-vetenskapliga referensen i vår artikel”, säger Di Terlizzi.
Fysiken som de använde kopplar samman agglomerationen av cacio e pepe med idéer om livets ursprung på jorden.
Biofysiker använder sig av fasseparation för att förstå hur vätskedroppar kan stelna och dela sig till en lösning. ”En droppe som delar sig ser ut ungefär som en protocell”, säger Giacomo Bartolucci, en annan medförfattare till studien.
Inuti de små bubblorna som föregick de faktiska cellerna tror vissa att livets byggstenar kan ha samlats genom en process som liknar den italienska ”mozzarellafasen”. Samma idéer hjälper biologer att förstå hur de plack i hjärnan som orsakar Alzheimers sjukdom binds samman.
Varför är spaghetti ett ämne för spekulationer och studier för fysiker?
Till att börja med är det enkelt: mjöl, vatten och värme, säger Vishal Patil, en av upptäckarna av twist-and-break-metoden, som nu är professor i matematik vid University of California, San Diego.
Det faktum att en kombination av så få komponenter väcker så många djupa frågor visar hur fysiken ligger till grund för allt vi ser och gör, säger Patil.
Det visar också att hur mycket fysikerna än undersöker det stora och det lilla, så kanske svaren inte räcker för att förklara de fenomen vi observerar varje dag.
När det gäller cacio e pepe kan den teoretiska fysikens alla verktyg bara säga oss det som alla italienska mormödrar vet: håll spisen på låg värme när du tillagar den. Elektrospinning i laboratorier kan bara göra spagetti något tunnare än den spagetti som kvinnorna i Nuoro, Italien, tillagar för hand varje dag.
”Spaghetti är något mycket prisvärt som man kan experimentera med”, säger Patil. Den låga kostnaden för mjölnudlar är det som gjort dem till en populär delikatess för så många kulturer runt om i världen; spagetti blev populärt i Neapel som gatumat. Det var därför Feynman inte tvekade att kasta kilovis av den på sitt köksgolv.
Efter en lång dag vid svarta tavlan, där man studerat den ogenomträngliga matematiken i kvantmekanik eller svarta hål, är spaghettins mekaniska underverk det perfekta materialet för forskarnas lunchundersökningar.
