علم اسپاگتی: پاستا چه چیزی را درباره جهان آشکار می‌کند؟

شاید فکر کنید که فیزیکدانان فقط به پرسش‌های بزرگ پاسخ می‌دهند. معمولاً درباره‌ی فیزیک کیهانی و ذرات زیراتمی یا درباره‌ی شکل جهان و ماهیت ذراتی که آن را پر کرده‌اند، می‌شنویم؛ اما فیزیکدان‌ها خارج از آزمایشگاه زندگی معمولی خود را دارند و گاهی طرز نگاهشان به جهان در عادات روزمره‌شان نیز نمایان می‌شود. به نظر می‌رسد که یک شیء روزمره به‌طور ویژه‌ای ذهن آن‌ها را مشغول کرده است: اسپاگتی.

حداقل برای یک قرن، اسپاگتی موضوع مطالعات دقیق بوده است. از طریق این پژوهش‌ها، فیزیکدانان همچنان به کشف نکات جدیدی درباره‌ی حالت جامد ماده، شیمی غذا و حتی ارتباطاتی با منشأ حیات ادامه می‌دهند. جریان پیوسته‌ی علم اسپاگتی نشان می‌دهد پرسش‌های عمیقی در زندگی روزمره وجود دارد و تعداد زیادی فیزیکدان گرسنه وجود دارد که نمی‌توانند از پرسیدن آن‌ها دست بکشند.

برای مثال، اسپاگتی تا چه حد می‌تواند نازک باشد؟ ضخامت یک رشته‌ی معمولی اسپاگتی که به آن «اسپاگتو» گفته می‌شود، بین ۱ تا ۲ میلی‌متر است؛ اما سایر رشته‌های بلند تفاوت زیادی در قطر دارند؛ از اودون به قطر ۴ میلی‌متر تا آنجل‌هِیر که ۰٫۸ میلی‌متر ضخامت دارد. نازک‌ترین رشته‌های دست‌ساز، «سو فیلیندئو» نام دارند و ضخامت آن‌ها به ۰٫۴ میلی‌متر می‌رسد؛ این رشته‌ها به قدری ظریف هستند که تنها چند زن در نیوروی ایتالیا روش درست کردن آن‌ها را می‌دانند.

با این‌حال اخیرا تیمی از پژوهشگران در کالج دانشگاهی لندن کنجکاو شدند که آیا تجهیزات آزمایشگاهی قرن ۲۱ می‌توانند عملکرد بهتری داشته باشند؟ آن‌ها از روشی به نام «الکترو-ریسی» استفاده کردند. ابتدا آرد را در یک محلول خاص که بار الکتریکی دارد حل کردند و آن را درون سرنگ قرار دادند. سپس سرنگ را بالای یک صفحه‌ی ویژه که بار منفی دارد نگه داشتند. بیاتریس بریتون، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه می‌گوید:

این فرآیند، محلول را از طریق سوزن توزیع‌کننده به سمت صفحه‌ی جمع‌کننده می‌کشد و آن را به شکلی کاملاً شبیه به رشته‌ی نودل درمی‌آورد.

برخی افراد قبل از انداختن اسپاگتی خشک در آب جوش، آن را از وسط نصف می‌کنند تا به صورت افقی در قابلمه جا بگیرد. احتمالا فاینمن هم همین کار را می‌کرد، اما این کار برای بسیاری از دوستداران اسپاگتی در جهان یک توهین محسوب می‌شود. اگر شما هم از گروه دوم هستید، حتما اسپاگتی خشک را به صورت عمودی در قابلمه آب جوش قرار می‌دهید و تماشا می‌کنید که چگونه به‌آرامی نرم می‌شود، خم می‌شود و خود را در آب فرو می‌برد.

این رفتار آشنای اسپاگتی شاید معمایی به نظر نرسد، اما سعی کنید یک رشته‌ی تازه‌خم‌شده را از قابلمه بیرون بیاورید و بگذارید خشک شود. مشاهده خواهید کرد که این رشته به حالت خمیده باقی می‌ماند و به طول صاف اولیه خود بازنمی‌گردد؛ به‌طوری‌که در آن چند دقیقه‌ی اول، چیزی در ساختار اسپاگتی به‌طور غیرقابل‌برگشتی تغییر می‌کند. در سال ۲۰۲۰، دو فیزیکدان بالاخره این دگرگونی اسپاگتی را توضیح دادند. این پدیده به خصوصیتی به نام «ویسکوالاستیسیته» مربوط می‌شود؛ اصطلاحی برای توصیف نحوه‌ی منحصربه‌فرد واکنش موادی مانند اسپاگتی به تنش فیزیکی. این خاصیت ویژه باعث می‌شود که آب بتواند از میان لایه‌های بیرونی رشته‌ی اسپاگتی جریان یابد.

مکانیک عجیب اسپاگتی پخته‌شده فراتر از این‌ها است. در یک مطالعه، دانشمندان رشته‌های اسپاگتی را روی زمین انداختند و نحوه‌ی پیچ‌وتاب خوردن آن‌ها را اندازه‌گیری کردند تا درباره‌ی دیگر مواد کشسان، از طناب گرفته تا رشته‌های DNA، اطلاعات بیشتری کسب کنند. در مطالعه‌ای دیگر، فیزیکدانان اسپاگتی‌ها را به گره تبدیل کردند و بررسی کردند که چه نوع تنشی باعث پاره‌شدن آن‌ها می‌شود.

سس کاتچو ا پپه به مواد بسیار کمی نیاز دارد و در اصل ترکیبی از آب باقی‌مانده‌ی پاستا و پنیر پکورینو رنده‌شده است؛ اما پژوهشگرها از ناپایداری عجیب آن شگفت‌زده شده بودند. اغلب اوقات، پنیر به‌طور غیرقابل‌برگشتی به توده‌هایی تبدیل می‌شود و سس را خراب می‌کند. این مشکل به‌ویژه زمانی شایع‌تر است که سس را در مقادیر زیاد درست کنید و همین موضوع باعث شده بود که این فیزیکدانان در دعوت همکاران آلمانی‌شان به شام مردد باشند. ایوان دی ترلیتزی که در مؤسسه‌ی فیزیک سیستم‌های پیچیده ماکس پلانک در درسدن، آلمان، به مطالعه‌ی فیزیک آماری و زیستی می‌پردازد، می‌گوید: «نمی‌توانیم کاتچو اِ پِپه را جلوی آلمانی‌ها خراب کنیم!»

خوشبختانه، در میان آن‌ها برخی از برجسته‌ترین متخصصان فیزیک «جداسازی فازی» حضور داشتند. آن‌ها هنگام بحث درباره‌ی جداسازی فازی در کاتچو اِ پِپه متوجه شدند که این موضوع از منظر علمی نیز گیج‌کننده است. علم اسپاگتی نشان می‌دهد که حتی اگر فیزیکدانان در بررسی مقیاس‌های بزرگ و کوچک عمیق شوند، پاسخ‌ها همچنان ممکن است برای توضیح پدیده‌هایی که هر روز می‌بینیم کافی نباشند. دانیل ماریا بوزیلو، یکی از نویسندگان مطالعه‌ی مربوط به کاتچو اِ پِپه، می‌گوید:

این مسئله بسیار جالب است؛ بنابراین تصمیم گرفتیم که یک دستگاه آزمایشی طراحی کنیم تا واقعاً همه‌ی این موارد را بررسی کنیم.

دستگاه یادشده شامل یک حمام آب با دمای پایین، یک دماسنج آشپزخانه، یک ظرف پتری و یک دوربین آیفون متصل به یک جعبه‌ی خالی بود. آن‌ها هر تعداد دوست گرسنه‌ای که می‌توانستند پیدا کنند به آپارتمان دی ترلیتزی دعوت کردند و مشغول پختن مقدار زیادی کاتچو اِ پِپه در آخر هفته شدند.

پژوهشگرها دریافتند که این سس «ساده»، در واقع فوق‌العاده پیچیده است. از نظر شیمیایی، این سس یک محلول آبی با تنها چند جزء است: نشاسته (از آب پاستا)، لیپیدها (از پنیر) و دو نوع پروتئین (نیز از پنیر). آن‌ها با استفاده از دستگاهشان توضیحی فیزیکی برای توده‌هایی که باعث خراب‌شدن سس می‌شدند، پیدا کردند و آن را «فاز موزارلا» نامیدند.

برخلاف بیشتر مولکول‌ها، پروتئین‌ها هنگام گرم‌شدن چسبناک‌تر می‌شوند. پژوهشگران دریافتند که با افزایش دمای سس، این خاصیت باعث می‌شود پروتئین‌ها به لیپیدها بچسبند و توده‌هایی شبیه به موزارلا تشکیل دهند. در یک کاتچو اِ پِپه‌ی خوب، نشاسته مانع از این اتفاق می‌شود. نشاسته یک لایه‌ی محافظ در اطراف مولکول‌های لیپید ایجاد می‌کند و از چسبیدن آن‌ها به پروتئین‌ها جلوگیری می‌کند؛ اما اگر سس بیش از حد داغ شود، چسبندگی بیشتر پروتئین‌ها این سد را از بین می‌برد.

پس از درک علم پشت این پدیده، راه‌حل آن نیز آشکار شد. دی ترلیتزی می‌گوید: «اگر مقدار نشاسته‌ی کافی را از یک حد معین بالاتر ببرید، دیگر این حالت جداشدگی رخ نمی‌دهد.» آب پاستا معمولاً نشاسته‌ی کافی برای تضمین این حد آستانه را ندارد، بنابراین محققان پیشنهاد کردند که مخلوطی از نشاسته‌ی ذرت حل‌شده در آب به سس اضافه شود.

گروه تصمیم گرفتند که دست‌نوشته‌ی پژوهشی خود را با یک دستورالعمل بدون خطا برای این غذای کلاسیک به پایان برسانند؛ اما با بررسی مقالات علمی مرتبط، متوجه شدند که نخستین کسانی نیستند که به این «الهام کاتچویی» رسیده‌اند. برای حفظ صداقت علمی، آن‌ها در مقاله‌ی خود به یک ویدیوی یوتیوبی اشاره کردند که در آن لوچیانو مونسولیو، سرآشپز رومی دارنده‌ی ستاره‌ی میشلن، همین راهکار افزودن کمی نشاسته‌ی ذرت را برای داشتن دستوری بی‌نقص توصیه می‌کند. دی ترلیتزی می‌گوید: «این تنها منبع غیرعلمی مقاله‌ی ما است.»

فیزیکی که پژوهشگرها به کار گرفتند، چسبندگی کاتچو اِ پِپه را به ایده‌هایی درباره‌ی منشأ حیات روی زمین مرتبط می‌کند. زیست‌فیزیکدانان از مفهوم «جداسازی فازی» برای درک چگونگی انعقاد و تقسیم قطرات مایع درون یک محلول استفاده می‌کنند. جیاکومو بارتولوچی، یکی دیگر از نویسندگان این پژوهش، می‌گوید: «تقسیم یک قطره بسیار شبیه به تشکیل یک پیش‌سلول است.» برخی معتقدند که درون این حباب‌های کوچک که پیش از سلول‌های واقعی وجود داشتند، اجزای سازنده‌ی حیات از طریق فرآیندی مشابه «فاز موزارلا» گرد هم آمده‌اند. همین ایده‌ها به زیست‌شناسان کمک می‌کند تا بفهمند پلاک‌هایی که باعث بیماری آلزایمر می‌شوند، چگونه در مغز تجمع می‌یابند.

چرا اسپاگتی به چنین موضوع جذابی برای فیزیکدانان تبدیل شده است؟ به گفته‌ی ویشال پاتیل، استاد ریاضی دانشگاه سن‌دیگو کالیفرنیا و یکی از کاشفان روش «پیچ و شکستن»:

در درجه‌ی اول با ترکیب ساده‌ی آب، آرد و گرما روبه‌رو هستیم. اینکه ترکیبی از تنها چند مؤلفه می‌تواند چنین پرسش‌های عمیقی را برانگیزد، نشان می‌دهد که فیزیک در پس همه‌ی چیزهایی که می‌بینیم و انجام می‌دهیم نهفته است.

همچنین مسئله اسپاگتی نشان می‌دهد هرچقدر فیزیکدانان در بررسی‌های خود عمیق‌تر شوند، پاسخ‌ها همچنان ممکن است برای توضیح پدیده‌هایی که هر روز با آن‌ها روبه‌رو هستیم، کافی نباشند. درباره‌ی کاتچو اِ پِپه، تمام ابزارهای فیزیک نظری صرفا می‌توانند چیزی را تأیید کنند که هر مادربزرگ ایتالیایی از پیش می‌دانست: هنگام پختن آن، شعله‌ی اجاق را پایین نگه دارید. روش‌های آزمایشگاهی برای تولید الیاف فوق‌العاده نازک، تنها اندکی نازک‌تر از اسپاگتی‌هایی است که زنان شهر نیورو در ایتالیا روزانه با دست تهیه می‌کنند.

پاتیل می‌گوید: «اسپاگتی یکی از در دسترس‌ترین چیزهایی است که می‌توان با آن کار کرد.» هزینه‌ی پایین نودل‌های بر پایه‌ی آرد، آن‌ها را به یک خوراک محبوب و در دسترس برای بسیاری از فرهنگ‌ها در سراسر جهان تبدیل کرده است و همچنین اسپاگتی در ناپل یکی از غذاهای خیابانی رایج به شمار می‌رود. به همین دلیل فاینمن بدون هیچ تردیدی توده‌ای از اسپاگتی را روی کف آشپزخانه‌ی خود می‌شکست.

پس از یک روز طولانی در پای تخته‌سیاه، درگیر با ریاضیات دشوار مکانیک کوانتومی یا سیاه‌چاله‌ها، شگفتی‌های مکانیکی اسپاگتی بهترین سرگرمی برای ذهن دانشمندان در هنگام غذاخوردن است.