Τι αποκαλύπτουν τα μακαρόνια για το σύμπαν και τους μηχανισμούς του - Το «spaghetti problem» του 1949

Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί και οι επιστήμονες προβληματίζονται - σοβαρά - για τις αντιφατικές και εν μέρει αμφιλεγόμενες ιδιότητες των μακαρονιών.

Μπορεί να νομίζετε ότι οι φυσικοί θέτουν μόνο τα λεγόμενα... «μεγάλα ερωτήματα»: «γιατί ζούμε;», «τι συμβαίνει μετά τον θάνατο;» και άλλα τινά. Ακούμε κυρίως για τη φυσική του κοσμικού και του μικροσκοπικού, το σχήμα του σύμπαντός μας και τη φύση των σωματιδίων που το γεμίζουν. Αλλά οι επιστήμονες, φυσικά, έχουν κανονικές ζωές έξω από το εργαστήριο και μερικές φορές ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβάνονται και αμφισβητούν το σύμπαν αντικατοπτρίζεται

Εδώ και τουλάχιστον έναν αιώνα, τα μακαρόνια αποτελούν αντικείμενο πολλών μελετών. Μέσω αυτής της έρευνας, οι φυσικοί συνεχίζουν να μαθαίνουν νέα πράγματα για τη στερεά κατάσταση της ύλης, τη χημεία των τροφίμων και ακόμη και να κάνουν περίπλοκες συνδέσεις με την προέλευση της ζωής. Η επιστήμη των μακαρονιών βοηθά να καταδειχθεί ότι βαθιά ερωτήματα κρύβονται στις συνηθισμένες μας συνήθειες.

Για παράδειγμα: πόσα λεπτά χρειάζονται για να γίνουν τα μακαρόνια; Και γιατί;

Το τυπικό σπαγγέτι (το κάθε τεμάχιο εννοούμε) έχει πάχος μεταξύ ενός και δύο χιλιοστών (0,04-0,08 ίντσες). Υπάρχουν και άλλα μακρόστενα ζυμαρικά που ποικίλλουν ευρέως σε διάμετρο, από το udon με 4mm (0.16in) έως τα «μαλλιά αγγέλου» με 0.8mm (0.03in).

Πρόσφατα, όμως, μια ομάδα ερευνητών στο University College του Λονδίνου χρησιμοποίησαν μια νέα τεχνική και κατάφεραν να φτιάξουν το πιο λεπτό νήμα σπαγγέτι. «Με γυμνό μάτι σχεδόν δεν το βλέπεις», λέει η Beatrice Britton, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, «αλλά ένα ισχυρό μικροσκόπιο αποκαλύπτει ένα "χαλί" από κλωστές τόσο λεπτές όσο 0,1 χιλιοστά (0,004in)».

Αυτά τα ζυμαρικά είναι επίσης πολύ πιο σκληρά από τα κανονικά σπαγγέτι και 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.

Τα λεπτότερα σπαγγέτι στον κόσμο είναι μόνο ένα πρόσφατο παράδειγμα του πώς οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη μακαρονάδα τους για επιστημονικούς σκοπούς.

Το 1949 ο φυσικός του Πανεπιστημίου Brown, ο George F. Carrier έθεσε το «πρόβλημα των μακαρονιών» στο The American Mathematical Monthly, το οποίο έκρινε ότι είχε «σημαντικό λαϊκό αλλά και ακαδημαϊκό ενδιαφέρον». Ουσιαστικά, το πρόβλημα ισοδυναμεί με: «Γιατί δεν μπορώ να ρουφήξω ένα νήμα σπαγγέτι χωρίς να λερώσω το πρόσωπό μου με σάλτσα;».

Οι εξισώσεις του έδειξαν πώς το εκτεθειμένο μακαρόνι ταλαντεύεται όλο και πιο πολύ καθώς γίνεται όλο και πιο κοντό (πλησιάζοντας το στόμα μας δηλαδή) και κάπως έτσι έχουμε και την... μοιραία έκρηξη της σάλτσας.

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 σε αυτήν. Ονόμασαν την εκδοχή τους «αντίστροφο πρόβλημα σπαγγέτι».

Την σκυτάλη μετά πήρε ο σπουδαίος αμερικανός φυσικός των μέσων του 20ου αιώνα, ο Richard Feynman, ο οποίος 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 μακαρονιών 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 σπαγγέτι μέχρι αυτά να... καλύψουν το πάτωμα της κουζίνας.

Οι αναζητήσεις του Feynman πυροδότησαν 30 χρόνια προσπαθειών για την εξήγησή τους. Αυτό συνέβη τελικά το 2005, όταν δύο Γάλλοι ερευνητές έδειξαν ότι τα μακαρόνια σπάνε πάντα σε δύο κομμάτια - αλλά μόνο 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 τους.

Το 2018, μια ομάδα επιστημόνων του ΜΙΤ έγραψε μια εργασία η οποία τους παρείχε μια νέα και βαθύτερη κατανόηση της μηχανικής των εύθραυστων ράβδων των σπαγγέτι και έκτοτε το «φαινόμενο της τριπλής θραύσης» είναι γνωστό στους αθλητές του άλματος επί κοντώ, για παράδειγμα.

Η παράξενη μηχανική των μαγειρεμένων σπαγγέτι πηγαίνει ακόμη παραπέρα. Σε μια πρόσφατη μελέτη, οι επιστήμονες έριξαν βρασμένα μακαρόνια 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 μακαρόνια σε κόμπους και μελέτησαν ποιοι τύποι πίεσης θα τα έκαναν να σκιστούν [ή να σπάσουν].

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 στο εξωτερικό στη Γερμανία, ερεύνησαν το κλασικό πιάτο cacio e pepe [μακαρόνια με πιπέρι και τυρί].

Η σάλτσα απαιτεί πολύ λίγα συστατικά - είναι βασικά ένα μείγμα από νερό ζυμαρικών που είχε κρατηθεί και τριμμένο τυρί πεκορίνο - αλλά όλοι τους συχνά απογοητεύόνταν καθώς συχνά το τυρί μαζεύεται ανεπανόρθωτα, καταστρέφοντας τη σάλτσα που δημιουργείται.

Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα όταν την μαγειρεύετε 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», λέει στο BBC 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 ταλαιπωρούσε την ομάδα των επιστημόνων.

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

Όταν την έφτιαξαν, 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 (επίσης από το τυρί). Χρησιμοποιώντας τη συσκευή τους, βρήκαν μια φυσική εξήγηση για τους σβώλους που καταστρέφουν τη σάλτσα, εξήγηση την οποία ονόμασαν «φάση μοτσαρέλας».

Οι πρωτεΐνες γίνονται πιο κολλώδεις όταν είναι καυτές. Καθώς η σάλτσα θερμαίνεται, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό οδηγεί αυτές τις πρωτεΐνες να κολλάνε στα λιπίδια και να σχηματίζουν σβώλους 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 όμως η σάλτσα ζεσταθεί πολύ, η αυξημένη κολλώδης δράση των πρωτεϊνών ξεπερνά αυτό το εμπόδιο.

«Αν προσθέσετε αρκετό άμυλο πάνω από ένα ορισμένο όριο, δεν θα έχετε αυτό το είδος της κατάστασης με τους σβώλους», 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 καθώς έπεσαν πάνω σε ένα βίντεο στο YouTube, όπου ο σεφ Luciano Monosilio, βραβευμένος με αστέρι Michelin, προτείνει την ίδια αλλαγή: μια πρέζα άμυλο καλαμποκιού. «Είναι η μόνη μη επιστημονική αναφορά στην εργασία μας», λέει γελώντας ο Di Terlizzi.

Η φυσική που χρησιμοποίησαν οι ανωτέρω επιστήμονες συνδέει το cacio e pepe με την ίδια την προέλευση της ζωής στη Γη. Οι βιοφυσικοί χρησιμοποιούν το «διαχωρισμό φάσεων» για να κατανοήσουν πώς τα σταγονίδια ενός 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 και κάποιοι συνάδελφοί του 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.

Ο Vishal Patil, καθηγητής μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο, σημειώνει ότι είναι συγκλονιστικό το ότι ένας συνδυασμός τόσο λίγων συστατικών εγείρει τόσα πολλά και βαθιά ερωτήματα.

«Τα μακαρόνια είναι ένα πολύ προσιτό πράγμα με το οποίο μπορείς να "παίξεις"», καταλήγει με νόημα ο Patil.

Διαβάστε περισσότερα στο iefimerida.gr