Ce que les spaghettis révèlent sur l'univers

On pourrait penser que les physiciens ne posent que des questions profondes. La plupart du temps, on nous parle de physique cosmique et de petites dimensions, de la forme de notre Univers et de la nature des particules qui le composent.

Mais les physiciens ont bien sûr une vie en dehors du laboratoire et leur façon d'interroger l'Univers se résume parfois à leurs habitudes quotidiennes. Il est un objet du quotidien qui semble les obséder tout particulièrement : les spaghettis.

Depuis au moins un siècle, les spaghettis font l'objet d'études rigoureuses. Grâce à ces recherches, les physiciens continuent d'apprendre de nouvelles choses sur l'état solide de la matière, la chimie des aliments et établissent même des liens avec l'origine de la vie.

Le flux constant de la science du spaghetti contribue à démontrer que des questions profondes se cachent dans nos routines banales et que de nombreux physiciens affamés ne peuvent s'empêcher de les poser.

Par exemple : quelle est l'épaisseur des spaghettis ? Un brin de spaghetti a une épaisseur comprise entre 1 et 2 mm. Mais le diamètre des autres types de nouilles longues varie considérablement, des udon (4 mm) aux cheveux d'ange (0,8 mm).

Les nouilles artisanales les plus fines sont appelées su filindeu et mesurent 0,4 mm. Elles sont si fines que seules quelques femmes de Nuoro, en Italie, savent les fabriquer.

Mais récemment, une équipe de chercheurs de l'University College London (UCL), au Royaume-Uni, s'est demandé si les équipements de laboratoire du XXIe siècle pouvaient faire mieux.

Ils ont utilisé une technique appelée "électrofilage". Tout d'abord, ils ont dissous la farine dans une solution spéciale chargée électriquement dans une seringue. Ils ont ensuite placé la seringue sur une plaque spéciale chargée négativement.

"La solution s'écoule alors à travers l'aiguille vers la plaque de collecte en une forme de nouille très fibreuse", explique Beatrice Britton, auteur principal de l'étude.

Lorsque la solution a séché, les chercheurs se sont retrouvés avec un enchevêtrement de spaghettis incroyablement fins.

"À l'œil nu, on ne voit qu'une sorte de feuille de lasagne", explique Britton. Mais un microscope puissant révèle un tapis composé de brins aussi fins que 0,1 mm. Ces nouilles sont également beaucoup plus rigides que des spaghettis ordinaires.

Britton et ses collègues espèrent que leurs recherches permettront de trouver des alternatives biodégradables aux "nanofibres" en plastique, qui sont actuellement utilisées pour filtrer les liquides et traiter les blessures.

Une science qui se savoure

Le spaghetti le plus fin du monde n'est qu'un exemple récent de la façon dont les physiciens ne semblent pas vouloir cesser d'appliquer leurs outils à l'hydrate de carbone populaire.

En 1949, le physicien George F. Carrier, de l'université Brown aux États-Unis, a présenté le "problème des spaghettis" dans la revue scientifique The American Mathematical Monthly, qu'il considérait comme « d'un intérêt populaire et académique significatif".

Le problème se résume essentiellement à la question suivante : "Pourquoi ne puis-je pas aspirer un brin de spaghetti sans me mettre de la sauce sur le visage ?"

Ses équations montrent que le brin exposé oscille de plus en plus au fur et à mesure qu'il se raccourcit, ce qui finit par garantir un choc des nouilles contre la lèvre de la personne qui mange - et l'éruption fatidique de sauce que Carrier a tant condamnée.

Malheureusement, ses formules mathématiques ne permettent pas de contourner le problème. Il est aussi profondément inscrit dans les lois de l'univers que le Big Bang.

Plus tard, deux scientifiques ont inversé l'étude pionnière de Carrier, en explorant ce qui se passe lorsqu'un objet fibreux glisse hors d'un trou au lieu d'y être aspiré.

Ils ont appelé cette version le "problème des spaghettis inversés", familier à toute personne impatiente qui a déjà dû recracher des pâtes parce qu'elle n'avait pas attendu qu'elles refroidissent.

À ce jour, aucun physicien théoricien n'a tenté de résoudre le problème plus complexe de deux chiens aspirant le même brin de spaghetti par chaque extrémité.

Le grand physicien américain du milieu du siècle dernier, Richard Feynman, a contribué à résoudre les énigmes de la mécanique quantique, en expliquant comment les particules élémentaires qui composent les atomes interagissent les unes avec les autres.

Mais l'énorme contribution de Feynman à la physique des spaghettis est moins connue.

Un soir, Feynman s'est demandé pourquoi il était presque impossible de casser un brin de spaghetti sec en deux morceaux au lieu de trois. Avec un collègue, il a passé le reste de la soirée à casser des spaghettis jusqu'à ce qu'ils recouvrent le sol de la cuisine.

La question de Feynman sur la physique contre-intuitive des spaghettis secs a donné lieu à un quart de siècle de tentatives d'explication.

Cela s'est finalement produit en 2005, lorsque deux chercheurs français ont montré que les spaghettis se cassent toujours en deux morceaux - au début.

Mais après la rupture, lorsque les deux parties courbées se redressent, toute la tension accumulée est libérée dans une onde de choc, ce qui provoque une nouvelle fragmentation.

En 2018, une équipe de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis a découvert comment supprimer l'onde de choc en tordant doucement le brin de spaghetti avant de le casser.

Leur méthode nécessite un équipement de laboratoire, mais produit de manière fiable une paire parfaite de fragments.

Leurs travaux ont permis d'approfondir la compréhension des tiges fragiles au-delà des spaghettis ; le phénomène est bien connu des spécialistes du saut à la perche, par exemple.

Une merveille mécanique

Ma mère (italo-américaine) m'a appris à casser un paquet de spaghettis secs en deux avant de le mettre dans l'eau bouillante, de manière à ce qu'il tienne horizontalement dans la casserole.

Je pense que Feynman faisait de même, mais c'est un affront pour de nombreux amateurs de spaghettis dans le monde.

Si vous faites partie de ce dernier groupe, vous devez placer le paquet de spaghettis séchés à la verticale dans la casserole d'eau bouillante et le regarder se ramollir, se plier et s'immerger lentement.

Ce comportement familier des spaghettis n'est peut-être pas un mystère, mais essayez de sortir un morceau de spaghetti fraîchement courbé de la casserole et de le laisser sécher.

Il restera courbé, au lieu de revenir à sa longueur droite d'origine - quelque chose dans ces premières minutes modifie de manière irréversible la composition des spaghettis.

En 2020, deux physiciens ont enfin expliqué cette transmutation des spaghettis.

Elle est due à une caractéristique appelée "viscoélasticité", qui désigne la façon unique dont les matériaux tels que les spaghettis réagissent à la pression.

Cette propriété particulière permet à l'eau de s'écouler à travers les couches extérieures du fil.

L'étrange mécanique des spaghettis cuits va encore plus loin.

Dans une étude, les scientifiques ont jeté les brins sur le sol et mesuré la façon dont ils s'enroulaient pour en savoir plus sur d'autres matériaux élastiques, des cordes aux brins d'ADN.

Dans une autre étude, les physiciens ont fait des nœuds avec les spaghettis et ont étudié le type de tension qui les ferait rompre.

La physique des spaghettis ne se limite pas aux nouilles elles-mêmes : la sauce a aussi ses propres mystères scientifiques.

Lorsque huit physiciens italiens se sont rencontrés alors qu'ils effectuaient des recherches à l'étranger, en Allemagne, ils ont découvert une frustration commune à l'égard du cacio e pepe, un plat romain classique.

La sauce nécessite très peu d'ingrédients - il s'agit essentiellement d'un mélange d'eau de pâtes réservée et de fromage de brebis râpé - mais ils ont tous été témoins de son inconstance mystérieuse.

Souvent, le fromage colle de manière irréversible et gâche la sauce. Les physiciens ont donc hésité à inviter leurs collègues allemands à dîner.

"Nous ne pouvions pas gâcher le cacio e pepe devant les Allemands", explique Ivan Di Terlizzi, qui étudie la physique statistique et biologique à l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes de Dresde, en Allemagne.

Heureusement, parmi eux se trouvaient certains des plus grands experts mondiaux de la physique de la "séparation de phase", exactement le type de phénomène qui a perturbé leurs dîners de groupe.

En discutant de la séparation de phase du cacio e pepe, ils ont réalisé que le problème était également déconcertant d'un point de vue scientifique.

"Il s'agit en fait d'un problème très intéressant", explique Daniel Maria Busiello, coauteur de l'étude sur le cacio e pepe. "Nous avons donc décidé de concevoir un appareil expérimental pour tester toutes ces choses."

Le "dispositif" se composait d'une casserole d'eau chauffée à basse température, d'un thermomètre de cuisine, d'une boîte de Pétri et d'un appareil photo iPhone fixé à une boîte vide. Ils ont invité plusieurs amis affamés dans l'appartement de Di Terlizzi et se sont préparés à cuisiner du cacio e pepe tout le week-end.

Ils ont découvert que cette sauce "simple" était extrêmement complexe.

Chimiquement, il s'agit d'une solution à base d'eau qui ne contient que quelques composants : de l'amidon (provenant de l'eau des pâtes), des lipides (provenant du fromage) et deux types de protéines (provenant également du fromage).

Grâce à l'appareil, ils ont trouvé une explication physique aux grumeaux qui gâchent la sauce, qu'ils ont appelé "phase mozzarella".

Les protéines, contrairement à la plupart des molécules, deviennent plus collantes lorsqu'elles sont chaudes.

Lorsque la sauce est chauffée, les chercheurs ont découvert que ces protéines se collent aux lipides et forment des grumeaux semblables à ceux de la mozzarella.

Dans un "cacio e pepe" (pâte à modeler) bien fait, ce qui empêche ce phénomène, c'est l'amidon, qui forme une couche protectrice autour des molécules lipidiques afin qu'elles ne collent pas aux protéines. Si la sauce est trop chaude, l'adhérence accrue des protéines surmonte cette barrière.

Une fois qu'ils ont compris le mécanisme scientifique de la sauce, ils ont compris comment y remédier.

"Si vous ajoutez suffisamment d'amidon au-delà d'une certaine limite, vous n'obtiendrez pas ce type d'état séparé", explique M. Di Terlizzi. En général, l'eau des pâtes ne contient pas assez d'amidon pour garantir cette limite, c'est pourquoi ils suggèrent d'ajouter un mélange d'amidon de maïs dissous dans l'eau.

Le groupe a décidé de conclure son article par une recette infaillible pour ce plat classique.

Mais en faisant des recherches dans la riche littérature scientifique, ils ont réalisé qu'ils n'étaient pas les premiers à avoir eu cette révélation sur le cacio e pepe.

Au nom de l'intégrité académique, ils ont cité une vidéo YouTube dans laquelle le chef romain étoilé Luciano Monosilio suggère la même modification pour une recette infaillible : une pincée de fécule de maïs.

"C'est la seule référence non scientifique de notre article", précise M. Di Terlizzi.

La physique qu'ils ont utilisée relie les morceaux de cacio e pepe aux idées sur l'origine de la vie sur Terre.

Les biophysiciens utilisent la séparation des phases pour comprendre comment des gouttelettes liquides peuvent se solidifier et se diviser en une solution.

"Une gouttelette qui se divise ressemble beaucoup à une protocellule", explique Giacomo Bartolucci, un autre coauteur de l'étude.

Certains pensent qu'à l'intérieur des minuscules bulles qui ont précédé les vraies cellules, les éléments constitutifs de la vie se sont peut-être assemblés selon un processus très similaire à la phase de la mozzarella italienne.

Les mêmes idées aident les biologistes à comprendre comment les plaques qui causent la maladie d'Alzheimer s'agglutinent dans le cerveau.

Pourquoi les spaghettis sont-ils un objet de spéculation et d'étude si important pour les physiciens ?

Tout d'abord, c'est simple : de la farine, de l'eau et de la chaleur, explique Vishal Patil, l'un des découvreurs de la méthode "twist and break", aujourd'hui professeur de mathématiques à l'université de Californie à San Diego.

Le fait qu'une combinaison de si peu de composants soulève tant de questions profondes montre que la physique est à l'origine de tout ce que l'on voit et de tout ce que l'on fait, explique Vishal Patil.

Cela montre également que les physiciens ont beau étudier le grand et le petit, les réponses peuvent toujours être insuffisantes pour expliquer les phénomènes que nous observons tous les jours.

En ce qui concerne le cacio e pepe, tous les outils de la physique théorique ne peuvent que nous dire ce que toutes les grands-mères italiennes savent : ne pas trop chauffer lorsqu'elles préparent la recette. Et l'électrofilage en laboratoire ne peut produire que des spaghettis un peu plus fins que ceux que les femmes de Nuoro, en Italie, fabriquent chaque jour à la main.

"Les spaghettis sont très abordables", déclare Patil. Le faible coût des pâtes à base de farine est ce qui en a fait un mets démocratique pour tant de cultures à travers le monde - les spaghettis ont été popularisés à Naples en tant que nourriture de rue. C'est pourquoi Feynman n'hésitait pas à casser des kilos de ce produit sur le sol de sa cuisine.

Après une longue journée au tableau, à étudier les mathématiques impénétrables de la mécanique quantique ou des trous noirs, les merveilles mécaniques des spaghettis sont l'aliment idéal pour les recherches des scientifiques.