Наука спагеті: як паста розкриває таємниці Всесвіту

Коли ви бачите тарілку спагеті, ваш мозок навряд чи одразу переключається на роздуми про таємниці Всесвіту. Проте вже майже століття фізики активно досліджують парадоксальні властивості цих макаронів, знаходячи в них відповіді на фундаментальні наукові питання.

Зазвичай ми чуємо про фізику космічного та мікроскопічного — форму Всесвіту та природу частинок, що його наповнюють. Але фізики, звісно, мають звичайне життя поза лабораторією, і їхній науковий підхід до пізнання світу часто переноситься на повсякденні речі. Одним із таких об'єктів, що особливо привертає їхню увагу, стали спагеті.

Починаючи щонайменше з минулого століття, спагеті стали об'єктом ретельних наукових досліджень. Завдяки цим розвідкам вчені продовжують дізнаватися нове про твердий стан матерії, хімію харчових продуктів і навіть знаходять зв'язки з походженням життя. Постійний потік досліджень «науки спагеті» демонструє, що глибокі наукові загадки приховані в нашому буденному житті, а допитливі фізики не можуть припинити їх досліджувати.

Наприклад: наскільки тонкими можуть бути спагеті? Типовий діаметр одного спагеті (італійською — «спагетто») становить від одного до двох міліметрів. Інші довгі макаронні вироби суттєво відрізняються за товщиною — від удону (4 мм) до тонкої вермішелі (0,8 мм). Найтонші вироби ручної роботи називаються «су філіндеу» і мають товщину лише 0,4 мм — настільки тонкі, що їх виготовлення доступне тільки кільком жінкам з італійського міста Нуоро.

Нещодавно команда дослідників з Університетського коледжу Лондона вирішила перевірити, чи можуть сучасні лабораторні технології створити щось тонше. Вони використали метод «електроспінінгу». Спочатку борошно розчинили у спеціальному електрично зарядженому розчині в шприці. Потім шприц утримували над спеціальною негативно зарядженою пластиною. «Це притягує розчин через голку дозатора до пластини-колектора у формі дуже тонкої ниткоподібної структури, що нагадує макарони», — пояснює Беатріс Бріттон, головна авторка дослідження.

Після висихання розчину дослідники отримали надзвичайно тонкі нитки спагеті. «Неозброєним оком це виглядає як щось подібне до листа лазаньї», — каже Бріттон, але під потужним мікроскопом видно, що це плетиво з ниток завтовшки лише 0,1 мм. Ці макарони також значно жорсткіші за звичайні спагеті. Бріттон та її колеги сподіваються, що їхнє дослідження може стати кроком до створення біорозкладних альтернатив пластиковим «нановолокнам», які зараз використовуються для фільтрування рідин та лікування ран.

Використання сучасної фізики для дослідження спагеті аж ніяк не нове явище. У 1949 році фізик з Браунського університету Джордж Ф. Керрієр сформулював «проблему спагеті» в журналі «The American Mathematical Monthly», яку він вважав «надзвичайно цікавою як для широкої публіки, так і для науковців». По суті, проблема зводилася до питання: «Чому я не можу всмоктати нитку спагеті, не забруднивши обличчя соусом?»

Його рівняння показали, як відкрита частина макаронини коливається дедалі більш хаотично в міру її вкорочення, що неминуче призводить до удару макаронини об губу того, хто їсть — і до фатального розбризкування соусу, яке так засмучувало Керрієра. На жаль, його математичні формули не запропонували жодного способу уникнути цього зіткнення. Воно так само глибоко вкарбоване в закони Всесвіту, як і Великий Вибух.

Фізик Річард Фейнман, який допоміг розкрити загадки квантової механіки та пояснив, як взаємодіють елементарні частинки, що складають атоми, зробив також величезний внесок у фізику спагеті, про який менше відомо. Одного вечора Фейнман замислився, чому майже неможливо зламати палицю спагеті на дві частини замість трьох. Він і його колега провели решту вечора, ламаючи палички спагеті, поки не вкрили ними всю підлогу на кухні.

Дослідження Фейнмана щодо парадоксальної фізики сухих спагеті спричинило чверть століття спроб пояснити це явище. Нарешті у 2005 році двоє французьких дослідників показали, що спагеті справді спочатку ламаються на дві частини. Але після зламу, коли дві зігнуті частини випрямляються, вся накопичена в них напруга вивільняється у вигляді ударної хвилі, що спричиняє подальше розщеплення.

У 2018 році команда науковців з MIT з'ясувала, як стримати цю ударну хвилю — потрібно обережно скрутити палицю спагеті перед зламом. Їхній метод вимагав лабораторного обладнання, але надійно забезпечував ідеальну пару фрагментів. Ця робота дала нове та глибше розуміння крихких стрижнів, що виходить за межі спагеті; явище триступеневого зламу добре відоме, наприклад, стрибунам з жердиною.

Фізика спагеті виходить за межі самих макаронів — соус також насичений науковими загадками. Коли вісім італійських фізиків зустрілися під час дослідницької роботи в Німеччині, вони виявили спільне розчарування в класичній римській страві «качо е пепе».

Для цього соусу потрібно дуже мало інгредієнтів — це по суті суміш води від варіння макаронів і тертого сиру пекоріно — але всі вони стикалися з його загадковою примхливістю. Часто сир невідворотно збивається в грудки, псуючи соус. Це особливо поширено під час приготування великих порцій, що змушувало фізиків вагатися щодо запрошення німецьких колег на вечерю. «Ми не можемо зіпсувати качо е пепе перед німцями», — каже Іван Ді Терліцці, який вивчає статистичну та біологічну фізику в Інституті фізики складних систем Макса Планка в Дрездені.

На щастя, серед них були одні з провідних світових експертів з фізики «фазового розділення» — саме того явища згущення, що псувало їхні групові вечері. Обговорюючи фазове розділення в соусі «качо е пепе», вони зрозуміли, що це дивовижно й з наукової точки зору.

«Це насправді дуже цікава проблема», — каже Даніель Марія Бузієлло, співавтор дослідження качо. «Тому ми вирішили розробити експериментальний апарат для перевірки всіх цих речей».

«Апарат» складався з ванни з водою, нагрітої до низької температури, кухонного термометра, чашки Петрі та камери iPhone, прикріпленої до порожньої коробки. Вони запросили стільки голодних друзів, скільки змогли знайти, до квартири Ді Терліцці та взялися готувати «качо е пепе» на весь вікенд.

Вони виявили, що «простий» соус надзвичайно складний. Хімічно це водний розчин з лише кількома компонентами: крохмаль (з води від макаронів), ліпіди (з сиру) і два види білків (також із сиру). За допомогою свого апарату вони знайшли фізичне пояснення грудкам, що псують соус, назвавши цей процес «фазою моцарели».

Білки, на відміну від більшості молекул, стають клейкішими при нагріванні. Коли соус нагрівається, дослідники виявили, що це призводить до того, що білки прилипають до ліпідів і утворюють грудки, подібні до моцарели. У добре приготованому качо е пепе цьому запобігає крохмаль, який утворює захисне покриття навколо молекул ліпідів, тож вони не можуть прилипати до білків. Якщо соус надто сильно нагрівається, підвищена клейкість білків долає цей бар'єр.

Як тільки вони зрозуміли науку, що стоїть за соусом, стало зрозуміло, як це виправити. «Якщо додати достатньо крохмалю вище певного порогу, ви не отримаєте цього виду розділеного стану», — каже Ді Терліцці. Вода від варіння макаронів зазвичай не містить достатньо крохмалю, щоб гарантувати цей поріг, тому вони пропонують додавати суміш кукурудзяного крохмалю, розчиненого у воді.

Група вирішила завершити свій рукопис безвідмовним рецептом цієї класичної страви. Проте, аналізуючи багату наукову літературу, вони зрозуміли, що не були першими, хто досяг цього прозріння щодо качо. В ім'я академічної чесності вони процитували відео на YouTube, в якому римський шеф-кухар, відзначений зіркою Мішлен, Лучіано Монозіліо, пропонує те саме вдосконалення для безвідмовного рецепту — дрібку кукурудзяного крохмалю. «Це єдине ненаукове посилання в нашій статті», — каже Ді Терліцці.

Фізика, яку вони використовували, пов'язує згущення качо е пепе з ідеями про походження життя на Землі. Біофізики використовують фазове розділення, щоб зрозуміти, як краплі рідини можуть згущуватися та ділитися всередині розчину. «Краплина, що ділиться, досить нагадує протоклітину», — каже Джакомо Бартолуччі, ще один співавтор дослідження. Всередині маленьких крапель, що передували справжнім клітинам, деякі вчені вважають, будівельні блоки життя могли об'єднатися через процес, дуже схожий на «фазу моцарели». Ті самі ідеї допомагають біологам зрозуміти, як у мозку утворюються бляшки, що викликають хворобу Альцгеймера.

Чому спагеті стали таким осередком спекуляцій і досліджень для фізиків? По-перше, вони прості — борошно, вода і тепло, каже Вішал Патіл, один із відкривачів методу скручування та зламу, який зараз є професором математики в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго. Те, що комбінація так малої кількості компонентів викликає так багато глибоких питань, свідчить про те, як фізика лежить в основі всього, що вони бачать і роблять, вважає Патіл.

Це також показує, що хоч як глибоко фізики досліджують велике й мале, відповіді все ще можуть не пояснювати явища, які ми спостерігаємо щодня. Щодо качо е пепе, всі інструменти теоретичної фізики можуть лише сказати нам те, що знає кожна італійська бабуся: тримайте вогонь слабким, коли готуєте його. Лабораторний електроспінінг може досягти лише трохи тонших спагеті, ніж ті, що щодня виготовляють вручну жінки з італійського Нуоро.

«Спагеті — це просто дуже доступна річ, з якою можна грати», — каже Патіл. Низька вартість макаронних виробів на основі борошна зробила їх демократичним делікатесом для багатьох культур у всьому світі — спагеті стали популярними в Неаполі як вулична їжа. Саме тому Фейнман не вагався, ламаючи кілограми спагеті на підлогу своєї кухні.

Після довгого дня за дошкою, намагаючись розв'язати непроникну математику квантової механіки чи чорних дір, механічні дива спагеті стають ідеальною темою для наукових досліджень фізиків під час обіду.