Би-Би-Си: что спагетти может нам рассказать о Вселенной?

Когда вы видите спагетти, ваш мозг вряд ли сразу же перенесется к тайнам мироздания. Но почти столетие физики-теоретики ломают голову над удивительными свойствами этой простой пасты. Мы привыкли слышать о законах космоса и микромира – о форме Вселенной и природе мельчайших частиц, из которых она состоит. Однако, даже самые глубокие мыслители не забывают о повседневности: их стремление понять устройство мира иногда прорывается в обыденные вещи. И есть один предмет обихода, который особенно увлекает ученых: спагетти.

Уже больше века эти нити пасты стали объектом серьезных исследований. Благодаря этим работам физики продолжают открывать для себя новые грани твердого состояния вещества, тонкости химии пищи и даже устанавливают связи с загадками происхождения жизни. Постоянный поток «спагетти-науки» наглядно демонстрирует: глубокие вопросы скрываются в самых обыденных вещах, а есть множество любопытных физиков, не способных устоять перед желанием их разгадать.

Например: насколько тонкими могут быть спагетти? Типичная лапша – «спагетто» – имеет толщину от одного до двух миллиметров (0,04–0,08 дюйма). Но другие длинные макаронные изделия значительно различаются по диаметру: удон – 4 мм (0,16 дюйма), а нежные «волосы ангела» – всего 0,8 мм (0,03 дюйма). Самые тонкие нити, сделанные вручную, называются «су филиндейу» и достигают невероятных 0,4 мм (0,02 дюйма) в толщину – настолько изящные, что умеют делать их лишь несколько женщин в Нуоро, Италия. Но недавно команда исследователей Университетского колледжа Лондона задалась вопросом: сможет ли современное лабораторное оборудование превзойти мастерство человеческих рук? Они использовали передовую технику под названием «электропрядение». Сначала они растворили муку в специальном электрически заряженном растворе, поместили его в шприц. Затем расположили шприц над специально подготовленной пластиной с отрицательным зарядом. «Это заставляет раствор вытягиваться через иглу вниз к коллекторной пластине, формируя нити, напоминающие лапшу», – рассказывает Беатрис Бриттон, руководитель исследования.

Пока что ни один теоретический физик не пытался решить более сложную задачу: как два пса будут одновременно вылизывать спагетти с противоположных концов.

Когда раствор высох, исследователи получили переплетение невероятно тонкой пасты. «На первый взгляд видно лишь подобие лазаньи», – говорит Бриттон, но мощный микроскоп открывает коврик из нитей толщиной всего 0,1 мм (0,004 дюйма). Эти макароны оказались гораздо жестче обычных спагетти. Беатрис и ее коллеги надеются, что их работа станет шагом к созданию биоразлагаемых альтернатив пластиковым «нановолокнам», которые сейчас используются для фильтрации жидкостей и лечения ран.

Непокорная наука

Самая тонкая в мире спагетти – лишь один из последних примеров того, как физики не могут удержаться от применения своих знаний к любимой всеми углеводной культуре. Но изучение лапши с научной точки зрения – это далеко не новое явление. В 1949 году физик Джордж Ф. Кэрриер из Университета Брауна поставил перед собой «спагетти-парадокс» в журнале «The American Mathematical Monthly», назвав его «предметом значительного интереса как для ученых, так и для широкой публики». Суть вопроса сводилась к простому: «Почему я не могу вылизать спагетти, не забрызгав лицо соусом?» Его уравнения показали, что обнаженный участок лапши начинает хаотично колебаться по мере укорочения, неизбежно приводя к удару о губу – и роковому извержению соуса, которого так опасался Кэрриер. К сожалению, его математические формулы не предлагали способа избежать этого «соусного шлепка». Это настолько же глубоко заложено в законах Вселенной, как Большой взрыв.

Беатрис Бриттон, исследователь Университетского колледжа Лондона, создала спагетти толщиной всего 0,1 мм (0,004 дюйма). Эти крошечные макароны могут найти применение в медицине и биотехнологиях.

Позже два ученых перевернули пионерскую работу Кэрриера, изучая, что происходит, когда нитевидный объект выскальзывает из отверстия, а не высасывается внутрь. Они назвали свою версию «обратной спагетти-проблемой», знакомую каждому нетерпеливому едоку, которому приходилось выплевывать горячую пасту, потому что он не дождался, пока она остынет. Пока что ни один теоретический физик не пытался решить более сложную задачу: как два пса будут одновременно вылизывать спагетти с противоположных концов.

Великий американский физик середины XX века Ричард Фейнман помог разгадать загадки квантовой механики, объясняя, как элементарные частицы взаимодействуют друг с другом. Но его огромный вклад в «спагетти-физику» менее известен. Однажды Фейнман задумался, почему почти невозможно сломать палочку спагетти на две части вместо трех. Он и коллега провели остаток вечера, ломая палочки спагетти, пока вся кухня не была ими усыпана.

«Спагетти-физика» простирается даже за пределы самой пасты – соус также полон собственных научных тайн.

Попытки объяснить парадоксальную физику сухого спагетти, начатые Фейнманом, продолжались четверть века. Это наконец произошло в 2005 году, когда два французских исследователя показали, что спагетти сначала ломается на две части. Но после перелома, по мере того как две согнутые части выпрямляются, все их накопившееся напряжение высвобождается в ударной волне, вызывая дальнейшее растрескивание. В 2018 году команда ученых из Массачусетского технологического института выяснила, как подавить эту ударную волну – деликатно скрутить спагетти перед тем, как сломать его. Их метод требовал лабораторного оборудования, но надежно производил идеальную пару фрагментов. Эта работа дала новое и более глубокое понимание хрупких стержней, которое выходит за рамки спагетти; явление трехстороннего растрескивания хорошо известно, например, прыгунам с шестом.

Механическое чудо

Моя (итало-американская) мама учила меня ломать пучок сухих спагетти пополам перед тем, как опустить их в кипящую воду, чтобы они помещались горизонтально в кастрюле. Наверное, Фейнман делал то же самое, но это вызывает недоумение у многих любителей спагетти во всем мире. Если вы относитесь к последним, то вы ставите сухой пучок спагетти вертикально в кипящую воду и наблюдаете, как он медленно размягчается, изгибается и погружается. Это знакомое поведение пасты может не казаться загадкой, но попробуйте достать только что изогнутый кусок спагетти из кастрюли и дать ему высохнуть. Он останется изогнутым, а не вернется к своей первоначальной прямой форме – в первые несколько минут необратимо меняется его состав. В 2020 году два физика наконец объяснили эту «трансмутацию» спагетти. Это связано с уникальным свойством, называемым «вязкоупругостью» – названием для особого способа реагирования материалов, таких как спагетти, на физическое напряжение. Это особое свойство позволяет воде проникать через внешние слои нити.

Странная механика вареной пасты простирается еще дальше. В одном исследовании ученые роняли нити на пол и измеряли, как они скручиваются, чтобы узнать больше о других упругих материалах, от веревок до ДНК-цепей. В другом физики завязывали спагетти в узлы и изучали, какие типы напряжений приведут к их разрыву. «Спагетти-физика» простирается даже за пределы самой пасты – соус также полон собственных научных тайн. Когда восемь итальянских физиков встретились во время исследований за границей в Германии, они обнаружили общую фрустрацию по поводу классического римского блюда *качо э пепе*. Соус требует очень мало ингредиентов — это по сути смесь сохраненной воды от пасты и тертого пекорино. Но все они сталкивались с его таинственной непостоянством. Часто сыр необратимо комкуется, портя соус. Это особенно часто встречается при приготовлении больших порций, что заставляло физиков опасаться приглашать своих немецких коллег на ужин. «Мы не могли допустить, чтобы мы испортили *качо э пепе* перед немцами», – говорит Иван Ди Терлицци, который занимается статистической и биологической физикой в Институте Макса Планка по физике сложных систем в Дрездене, Германия.

К счастью, среди них были некоторые из ведущих мировых экспертов по физике «разделения фаз» – именно такого рода явления комкования беспокоило их групповые ужины. Обсуждая разделение фаз *качо э пепе*, они поняли, что это сбивает с толку и с научной точки зрения. «Это на самом деле очень интересная проблема», — говорит Даниэль Мария Бусиелло, соавтор исследования о *качо*. «Поэтому мы решили разработать экспериментальную установку для проверки всех этих вещей». «Установка» состояла из ванны с водой, нагретой до низкой температуры, кухонного термометра, чашки Петри и камеры iPhone, прикрепленной к пустой коробке. Они пригласили как можно больше голодных друзей в квартиру Ди Терлицци и принялись готовить спагетти *качо э пепе* на выходные.

Они обнаружили, что «простой» соус был чрезвычайно сложным. Химически это водный раствор всего с несколькими компонентами: крахмал (из воды от пасты), липиды (из сыра) и два вида белка (также из сыра). Используя свою установку, они обнаружили физическое объяснение комкам, разрушающим соус, которые назвали «фазой моцареллы».

Белки, в отличие от большинства молекул, становятся липче при нагревании. По мере нагревания соуса исследователи обнаружили, что это приводит к тому, что белки прилипают к липидам и образуют комки, похожие на моцареллу. В хорошо приготовленном *качо э пепе* этому препятствует крахмал, который образует защитный слой вокруг молекул липидов, чтобы они не могли прилипнуть к белкам. Если соус становится слишком горячим, повышенная липкость белков преодолевает этот барьер. Как только они поняли науку, лежащую в основе соуса, стало ясно, как это исправить. «Если добавить достаточно крахмала выше определенного порога, то не возникнет такого разделения», — говорит Ди Терлицци. Воды от пасты обычно недостаточно крахмала, чтобы гарантировать этот порог, поэтому они предлагают добавлять смесь кукурузного крахмала, растворенного в воде.

Группа решила завершить свою рукопись надежным рецептом этого классического блюда. Но, изучая богатую научную литературу, они поняли, что не были первыми, кто достиг этого «качо-эпифании». В целях академической честности они сослались на видео YouTube, в котором шеф-повар из Рима Мишлен Люциано Моносилио предлагает ту же правку для надежного рецепта – щепотку кукурузного крахмала. «Это единственная не научная ссылка в нашей статье», — говорит Ди Терлицци.

Физика, которую они использовали, связывает комкование *качо э пепе* с идеями о происхождении жизни на Земле. Биофизики используют разделение фаз для понимания того, как капли жидкости могут коагулировать и делиться в растворе. «Капля, делящаяся, довольно похожа на прото-клетку», — говорит Джакомо Бартолуччи, соавтор исследования о *качо*. В маленьких каплях, предшествовавших фактическим клеткам, строительные блоки жизни могли собираться посредством процесса, похожего на итальянское разделение фаз. Те же идеи помогают биологам понимать, как бляшки вызывают болезнь Альцгеймера.

Почему спагетти является таким местом спекуляций и исследований для физиков? Во-первых, это просто – мука, вода и тепло, говорит Вишал Патил, один из открывателей метода скручивания и разламывания, который теперь является профессором математики в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Тот факт, что комбинация такого небольшого количества компонентов порождает столько глубоких вопросов, свидетельствует о том, насколько физика лежит в основе всего, что мы видим и делаем, говорит Патил. Это также показывает, что даже если физики глубоко исследуют большое и малое, ответы все равно могут не объяснять явления, которые мы наблюдаем каждый день.

Когда дело доходит до *качо э пепе*, все инструменты теоретической физики могут сказать нам только то, что знает каждая итальянская бабушка: держите огонь низким при приготовлении. Лабораторное электропрядение может достичь лишь незначительно более тонких спагетти, чем те, которые ежедневно делают женщины из Нуоро, Италия вручную. «Спагетти — это просто очень доступная вещь, с которой можно поиграть», — говорит Патил. Низкая стоимость лапши на основе муки является причиной ее популярности во многих культурах мира – спагетти были популяризированы в Неаполе как уличная еда. Вот почему Фейнман не колебался, чтобы разбросать фунты этого вещества по своей кухонной полу. После долгого дня работы за доской, решая непроницаемую математику квантовой механики или черных дыр, механические чудеса спагетти — идеальный материал для научных поисков во время еды.

Оригинал: BBC