意面科学：意大利面如何揭示宇宙奥秘 - Spaghetti Science
4 天前 分享 保存 Joseph Howlett 分享 保存
BBC/ Getty Images/ Beatrice Britton
(图片来源: BBC/ Getty Images/ Beatrice Britton)
当你看到意大利面时，你的大脑可能不会立刻联想到宇宙的秘密。但是近一个世纪以来，物理学家们一直在思考意大利面违反直觉的特性。
你可能认为物理学家只会提出宏大的问题。我们大多数时候听到的都是关于宇宙和微观世界的物理学，我们宇宙的形状和构成宇宙的粒子的本质。但是，物理学家当然在实验室外也有普通的生活，有时他们质疑宇宙的方式会蔓延到他们的日常习惯中。有一种日常物品似乎特别让他们着迷：意大利面。
至少可以追溯到一个世纪以前，意大利面一直是严格研究的主题。通过这项研究，物理学家们不断学习关于物质固态、食物化学的新知识，甚至与生命的起源建立联系。源源不断的意大利面科学表明，深刻的问题潜藏在我们的日常生活中，并且有很多求知若渴的物理学家们无法停止追问这些问题。
例如：意大利面能有多细？典型的 spaghetto（单根意大利面的说法）的厚度在 1 毫米到 2 毫米（0.04-0.08 英寸）之间。但是其他长面条的直径差异很大，从 4 毫米（0.16 英寸）的乌冬面到 0.8 毫米（0.03 英寸）的天使面。最细的手工面条被称为 su filindeu，仅为 0.4 毫米（0.02 英寸），如此纤细以至于只有意大利努奥罗的少数妇女知道如何制作它们。
但是最近，伦敦大学学院的一个研究团队想知道 21 世纪的实验室设备是否能做得更好。他们使用了一种称为“electro-spinning”的技术。首先，他们将面粉溶解在注射器中一种特殊的带电溶液中。然后，他们将注射器放在一个特殊的带负电的板上。“这会将溶液以非常细长的面条状从分配器针头拉向收集板，”该研究的主要作者 Beatrice Britton 说道。
目前，还没有理论物理学家尝试解决更复杂的问题，即两只狗从同一根意大利面两端同时吸食。
当溶液干燥后，研究人员得到了一种纵横交错的极其细的意大利面。“肉眼所见，你只能看到一种千层面片，”Britton 说，但是强大的显微镜显示出一种由细丝构成的垫子，这些细丝细至 0.1 毫米（0.004 英寸）。这些面条也比普通意大利面更硬。Britton 和她的同事希望他们的研究可以成为塑料“nanofibres”的可生物降解替代品的一步，这些“nanofibres”现在用于过滤液体和治疗伤口。
一门混乱的科学
世界上最细的意大利面只是物理学家们似乎无法停止将他们的工具应用于每个人最喜欢的碳水化合物的最新例子。但是物理学家们在他们的面条上运用他们的智慧并不是什么新鲜事。1949 年，布朗大学的物理学家 George F Carrier 在《美国数学月刊》上提出了“意大利面问题"，他认为这“具有相当大的大众和学术兴趣”。本质上，这个问题归结为：“为什么我不能在脸上不沾酱的情况下吸食一根意大利面”？
他的方程式显示，随着暴露在外的面条越来越短，它会更加剧烈地摆动，从而最终确保面条会拍打在吸食者的嘴唇上——以及 Carrier 如此痛恨的命运般的酱汁喷发。可悲的是，他的数学公式无法避免脸上的拍击。它像宇宙大爆炸一样深刻地铭刻在宇宙定律中。
Beatrice Britton
伦敦大学学院研究人员制作了仅 0.1 毫米（0.004 英寸）厚的意大利面。这种微小的面条可能在医学和生物技术领域有应用（图片来源：Beatrice Britton）
后来，两位科学家颠倒了 Carrier 的开创性研究，探索了当一个细长的物体从孔中滑出而不是被吸入时会发生什么。他们将他们的版本称为“反向意大利面问题"，任何没有耐心等待食物冷却就不得不吐出滚烫的意大利面的食客对此都很熟悉。目前，还没有理论物理学家尝试解决更复杂的问题，即两只狗从同一根意大利面两端同时吸食。
伟大的世纪中叶美国物理学家 Richard Feynman 帮助解开了量子力学的谜团，解释了构成原子的基本粒子是如何相互作用的。但是 Feynman 对意大利面物理学的巨大贡献却鲜为人知。一天晚上，Feynman 想知道为什么几乎不可能将一根意大利面棒折成两段，而不是三段。他和一位同事花了剩下的时间折断意大利面棒，直到它们覆盖了厨房地板。
意大利面物理学甚至超越了意大利面本身——酱汁中也充满了它自己的科学奥秘。
Feynman 对干燥意大利面违反直觉的物理学的研究引发了四分之一个世纪的尝试来解释它。这最终发生在 2005 年，当时两位法国研究人员表明，意大利面一开始总是断成两段。但是在断裂之后，当两个弯曲的部分再次变直时，它们的所有潜在应变都会以冲击波的形式释放出来，从而导致进一步的碎裂。
2018 年，一个来自 MIT 的团队弄清楚了如何抑制冲击波——在折断意大利面之前，轻轻地扭转它。他们的方法需要实验室设备，但是它可靠地产生了一对完美的碎片。他们的工作提供了对脆性棒材的新的更深入的理解，这种理解超越了意大利面；例如，三向断裂现象为撑杆跳高运动员所熟知。
一个力学奇迹
我的（意大利裔美国人）母亲教我在将一捆干燥的意大利面放入沸水之前将其折成两半，这样它就可以水平地放入锅中。我想 Feynman 也做了同样的事情，但是这对许多世界的意大利面食客来说是一种暴行。如果你属于后一类，那么你可以将干燥的意大利面垂直地放入沸水锅中，然后观看它慢慢软化、弯曲并淹没自己。
这种熟悉的意大利面行为可能看起来并不像一个难题，但是尝试从锅中取出一块最近卷曲的意大利面并让其干燥。它将保持弯曲而不是恢复到原来的直度——在最初的几分钟内，某些东西不可逆转地改变了意大利面的组成。2020 年，两位物理学家最终解释了这种意大利面的嬗变。这归因于一种称为“viscoelasticity”的特性——这种材料对意大利面等材料对物理应力的独特反应方式的名称。这种特殊的特性允许水流过面条的外层。
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对于物理学家来说，面条不仅仅是晚餐：它们可以帮助解开宇宙最深奥的奥秘（图片来源：Getty Images）
煮熟的意大利面的奇怪力学甚至更进一步。在一项研究中，科学家们将面条扔在地上并测量了它们的盘绕方式，以了解从绳索到 DNA 链的其他弹性材料。在另一项研究中，物理学家将意大利面打成结并研究了什么样的应变会导致它们撕裂。
意大利面物理学甚至超越了意大利面本身——酱汁中也充满了它自己的科学奥秘。当八位意大利物理学家在德国进行海外研究时相遇，他们发现了一种对经典罗马菜肴 cacio e pepe 的共同沮丧。
酱汁只需要很少的配料——它基本上是保留的意大利面水和磨碎的 pecorino 奶酪的混合物——但是他们都经历了它神秘的反复无常。通常，奶酪会不可逆转地结块，从而破坏酱汁。当你在大批量烹饪时，这种情况尤其常见，这使得物理学家们犹豫是否邀请他们的德国同事共进晚餐。“我们不能在德国人面前搞砸 cacio e pepe，”Ivan Di Terlizzi 说道，他在德国德累斯顿的 Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems 研究统计和生物物理学。
幸运的是，他们中有些人是世界上最著名的“相分离”物理学专家，这正是困扰他们团体晚餐的凝结现象。争论关于 cacio e pepe 的相分离，他们意识到它从科学的角度来看也是令人困惑的。
意大利面科学表明，无论物理学家们多么深入地探索大和小，答案仍然不足以解释我们每天看到的现象。
cacio 研究的合著者 Daniel Maria Busiello 说：“这实际上是一个非常有趣的问题。”“因此，我们决定设计一种实验装置来实际测试所有这些东西。”
“装置”由一个加热到低温的水浴、一个厨房温度计、一个培养皿和一个连接到空盒子上的 iPhone 摄像头组成。他们邀请了尽可能多的饥饿朋友到 Di Terlizzi 的公寓，并全力以赴地烹饪周末份的 cacio e pepe。
他们发现这种“简单”的酱汁非常复杂。从化学角度来看，它是一种水基溶液，只有几个成分：淀粉（来自意大利面水）、脂类（来自奶酪）和两种蛋白质（也来自奶酪）。使用他们的装置，他们找到了酱汁破坏结块的物理解释，他们称之为“mozzarella 相”。
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对于科学家来说，酱汁也有答案。意大利物理学家已将 cacio e pepe 的化学特性与地球上生命起源的问题联系起来（图片来源：Getty Images）
与大多数分子不同，蛋白质在高温下会变得更粘。研究人员发现，当酱汁被加热时，这会导致这些蛋白质粘附到脂类上并形成类似 mozzarella 的结块。在一个制作精良的 cacio e pepe 中，阻止这种情况发生的是淀粉，它在脂类分子周围形成保护层，因此它们无法粘附到蛋白质上。如果酱汁太热，蛋白质粘性的增加会克服这种屏障。
一旦他们了解了酱汁背后的科学原理，很明显如何解决它。“如果你在某个阈值之上添加足够的淀粉，你就不会得到这种分离状态，”Di Terlizzi 说。意大利面水通常不包含足够的淀粉来保证达到这个阈值，因此他们建议添加溶解在水中的玉米淀粉混合物。
该小组决定以一种万无一失的经典菜肴食谱来结束他们的手稿。但是在调查丰富的科学文献时，他们意识到他们并不是第一个达到这种 cacio 顿悟的人。本着学术诚信的精神，他们引用了一个 YouTube 视频，其中米其林星级罗马厨师 Luciano Monosilio 建议使用相同的调整方法来制作万无一失的食谱——少量玉米淀粉。“这是我们论文中唯一的非科学参考，”Di Terlizzi 说。
他们使用的物理学将 cacio e pepe 的结块与地球上生命起源的想法联系起来。生物物理学家使用相分离来理解液体液滴如何在溶液中凝结和分离。“液滴分裂几乎看起来像一个原始细胞，”该研究的另一位合著者 Giacomo Bartolucci 说。一些人认为，在实际细胞之前的小斑点内部，生命的基石可能是通过与意大利人的 mozzarella 相非常相似的过程结合在一起的。同样的想法正在帮助生物学家了解导致 Alzheimer's 聚集的斑块在大脑中。
为什么意大利面如此受到物理学家的猜测和研究？
原因之一是它很简单——面粉、水和热，Vishal Patil 说，他是扭转和折断方法的发现者之一，现在是加州大学圣地亚哥分校的数学教授。Patil 说，如此少的成分组合提出了如此多深刻的问题，这一事实表明物理学是他们所见所做的一切的基础。
它还表明，无论物理学家们多么深入地探索大和小，答案仍然不足以解释我们每天看到的现象。当涉及到 cacio e pepe 时，所有理论物理学的工具只能告诉我们每个意大利祖母都知道的：制作时让炉子保持低温。实验室的 electrospinning 只能实现比意大利努奥罗的妇女每天手工制作的意大利面略细的意大利面。
“意大利面只是一个非常容易玩的东西，”Patil 说。低成本的基于面粉的面条是使它们成为世界各地许多文化的一种民主美食的原因——意大利面在那不勒斯作为街头食品而普及。这就是为什么 Feynman 毫不犹豫地将大量的食物拍打到他的厨房地板上的原因。
在黑板前度过了漫长的一天，苦苦研究量子力学或黑洞的难解数学之后，意大利面的机械奇迹是科学家们餐桌上探测的完美素材。