Шпагети наука: Шта паста може да нам открије о универзуму

Кад видите пасту, ви не помислите одмах на тајне универзуме. Али већ скоро читав век, физичари лупају главу над контраинтуитивним својствима шпагета.

Лако бисте могли да помислите да физичари постављају само крупна питања.

Углавном слушамо о физици космоса и минијатурног, о облику нашег универзума и природи честица које га испуњавају.

Али физичари, наравно, живе и обичне животе ван лабораторије, а понекад се начин на који преиспитују универзум пренесе на њихове свакодневне навике.

Постоји један свакодневни предмет којим су они посебно опседнути: шпагете.

Уназад скоро читав век, шпагете су биле предмет ригорозних студија.

Кроз ова истраживања, физичари настављају да сазнају нове ствари о чврстом стању материје, хемијском саставу хране и чак да проналазе везе са пореклом живота.

Стални прилив научних информација о шпагетама помаже да се демонстрира како се дубока питања крију у свакодневним рутинама и да постоји обиље гладних физичара који не могу да престану да их постављају.

На пример: колико танке шпагете могу да буду?

Типична шпагета дебела је између једног и два милиметра.

Али други дуги резанци варирају умногоме у пречнику, од удона са 4 милиметра до анђеоске косе са 0,8 милиметара.

Најтањи руком прављени струкови зову се су филиндеу, и имају 0,4 милиметра (0.02ин), толико су танки да знају да их праве свега неколико жена у Нуору, у Италији,.

Али недавно се тим истраживача са Универзитетског колеџа у Лондону запитао да ли би лабораторијска опрема из 21. века могла да буде успешнија.

Они су употребили технику звану „електро-обртање".

Прво су растворили брашно у специјално наелектрисани раствор у шприцу.

Потом су поставили шприц изнад специјално негативно наелектрисаног тањира.

„То повлачи раствор кроз иглу шприца ка тањиру за сакупљање у веома струнастом облику налик резанцима", каже Беатрис Бритон, водећа ауторка студије.

Кад се раствор осушио, истраживачима су остале изукрштане нити невероватно танких шпагета.

„Голим оком, ви практично видите неку врсту коре за лазању", каже Бритон, али моћни микроскоп открива клупко састављено од нити танких свега 0,1 милиметар.

Ови резанци су такође много крући од обичних шпагета.

Бритон и њене колеге се надају да њихово истраживање може бити корак ка биоразградивим алтернативама пластичним „нановлакнима", која се сада користе за филтрирање течности и лечење рана.

Наука која оставља неред

Најтање шпагете на свету само су један од скорашњих примера како физичари изгледа да не могу да престану да примењују властите алатке на свачијем омиљеном угљеном хидрату.

Али то да физичари користе властите вијуге над овим вијугама није ништа ново.

Године 1949, физичар са Универзитета Браун Џорџ Ф. Керијер поставио је „шпагети проблем" у Америчком математичарском месечнику, за који је рекао да је од „значајног интересовања за народ и академске кругове подједнако".

Суштински, проблем се своди на следеће: „Зашто не могу да усисам једну шпагету а да се не испрскам сосом по лицу?"

Његове једначине показале су да се огољена нит шпагете батрга неконтролисаније како постаје све краћа и краћа, гарантујући да ће на крају пљеснути о уста оног који је усисава – и довести до судбоносне ерупције соса коју Керијер толико презире.

Нажалост, његове математичке формуле нису понудиле решење за овај пљусак у лице.

Он је дубоко урезан у законе универзума попут Великог праска.

Касније су двојица научника изврнули Керијерову пионирску студију наглавачке, објаснивши шта се дешава кад струнасти предмет исклизне из рупе уместо да буде усисан у њу.

Они су властиту верзију назвали „обрнути шпагети проблем", врло добро познат сваком нестрпљивом и гладном човеку који је морао да испљуне врелу пасту зато што није сачекао да се охлади.

За сада ниједан теоријски физичар није покушао компликованији проблем са два паса који усисавају исту нит шпагете сваки са своје стране.

Велики амерички физичар с половине века Ричард Фејнман помогао је да се размрсе загонетке квантне механике, објаснивши како елементарне честице од којих се састоји атоми имају интеракцију једне са другима.

Али Фејнманов огроман допринос шпагети физици мање је нашироко познат.

Једне ноћи се Фејнман запитао зашто је готово немогуће сломити штапић шпагете на два дела уместо на три.

Он и његове колеге провеле су остатак вечери ломећи штапиће шпагета све док њима нису прекрили читав кухињски под.

Фејнманово истраживање контраинтуитивне физике сувих шпагета покренула је након тога четврт века покушаја да се објасни.

То се коначно десило 2005. године, кад су двојица француских истраживача показали да се шпагете увек сломе на два дела – испрва.

Али после тог првог лома, кад се два савијена комада поново исправе, сво њихово напето оптерећење отпушта у ударни талас, који доводи до нових ломова.

Године 2018, тим МИТ научника схватио је како да заустави ударне таласе – нежно заврнувши нит шпагете пре него што је сломите.

Њихов метод захтевао је лабораторијску опрему, али је поуздано произвео савршен пар фрагмената.

Њихов рад довео је до новог и дубљег разумевања крхких штапића које одлази даље од самих шпагета; феномен ломљења на три дела добро је познат скакачима са мотком, на пример.

Механичко чудо

Моја мајка италијанско-америчког порекла научила ме је како да ломим сноп сувих шпагета на пола пре него што га убацим у кипућу воду, да би хоризонтално стале у шерпу.

Претпостављам да је Фејнман радио исто то, али то је прави скандал за многе обожаваоце шпагета на свету.

Ако сте у табору ових потоњих, онда стављате читав сноп ваших осушених шпагета у лонац са кипућом водом, потом гледате како оне полако смешкавају, попуштају и потапају се у воду.

Ово добро познато понашање шпагета можда не делује као нека посебна загонетка, али покушајте да извадите недавно увијени комад шпагете из лонца и оставите га да се осуши.

Он ће остати увијен уместо да се врати у пређашњу исправљеност читавом дужином – нешто у тим првим минутима неповратно мења састав шпагета.

Године 2020, два физичара коначно су објаснила ову трансформацију шпагета.

То се дешава због својства званог „вискоеластицитет" – што је име за јединствен начин на који се материјали попут шпагета понашају под физичким притиском.

Ово специјално својство омогућује води да тече кроз спољне слојеве једне шпагете.

Необична механика скуваних шпагета одлази још даље од тога.

У једној студији, научници су испустили нити на земљу и мерили како су се оне увијале да би учили о другим еластичним материјалима, од конопца до влакана ДНК.

У једној другој студији, физичари су везивали шпагете у чворове и проучавали какви типови притиска ће их натерати да се цепају.

Шпагети физика одлази још даље и од саме пасте – сос је препун властитих научних мистерија.

Кад се осам италијанских физичара срело док су радили истраживање у иностранству у Немачкој, открили су да деле фрустрацију класичним римским јелом каћо и пепе (цацио е пепе).

Сос тражи врло мало састојака – то је практично мешавина воде у којој се кувала паста и наренданог сира пекорина – али су се сви сусрели са његовом мистериозном превртљивошћу.

Сос се често непоправљиво угрудва, упропастивши јело.

Ово је посебно уобичајено кад га кувате у великим количинама, због чега физичари оклевају да позову њихове немачке колеге на вечеру.

„Не можемо да упропастимо каћо и пепе пред Немцима", каже Иван Ди Терлици, који је проучавао статистичку и биолошку физику на Институту Макс Планк за физику и сложене системе у Дрездену, у Немачкој.

Срећом, међу њима су били и неки од највећих стручњака на свету за физику „фазне сепарације", управо оне врсте феномена згушњавања који је кварио вечере њихове групе.

Расправљајући се о фазној сепарацији јела каћо и пепе, схватили су да је он био збуњујући и из научне перспективе такође.

„Ово је заправо веома занимљив проблем", каже Данијел Марија Бусиело, коаутор студије о каћу.

„И зато смо одлучили да осмислимо експериментални апарат који ће заправо тестирати све те ствари."

„Апарат" се састојао од воде загрејане на ниску температуру, кухињског термометра, петријеве посуде и ајфон камере повезане са празном кутијом.

Позвали су онолико гладних пријатеља колико су могли у Ди Терлицијев стан и бацили се на кување количине каћо и пепе за читав викенд.

Открили су да је овај „једноставни" сос заправо изузетно сложен.

По хемијском саставу, то је раствор заснован на води са свега неколико састојака: скроб (од воде у којој се кувала паста), липиди (од сира) и две врсте протеина (такође од сира).

Користећи овај апарат, они су открили физичко објашњење за громуљице које уништавају сос, које су назвали „моцарела фазом".

Протеини, за разлику од већине молекула, постају лепљивији кад се загреју.

Док се сос загрева, истраживачи су открили да то доводи до тога да се ови протеини лепе за липиде и формирају грудвице налик моцарели.

У добро направљеном каћо и пепеу, оно што спречава да до тога дође је скроб, који формира заштитни слој око молекула липида тако да они не могу да се залепе за протеине.

Ако се сос прегреје, повећана лепљивост протеина премошћује ту баријеру.

Чим су схватили научна својства соса, постало је очигледно како га треба поправити.

„Ако додате довољно скроба изнад одређеног прага, не добијате ову врсту сепарисаног стања", каже Ди Терлици.

Вода од пасте обично не садржи довољно скроба да гарантује овај праг, тако да они предлажу додавање мешавине кукурузног скроба раствореног у води.

Група је одлучила да заокружи њихов рукопис непогрешивим рецептом за ово класично јело.

Али проучивши издашну научну литературу, схватили су да нису први који су дошли до овог откровења увези са каћом.

У име академског интегритета, навели су видео на Јутјубу у ком кувар овенчан Мишленовом звездицом Лучано Моносилио предлаже исти трик за непогрешиви рецепт – мало кукурузног скроба.

„То је једина ненаучна референца у читавој нашој студији", каже Ди Терлици.

Физика коју су користили повезује стварање грудвица у каћо и пепе са идејама о пореклу живота на Земљи.

Биофизичари користе фазу сепарације да би разумели како капи течности могу да се згрушају и поделе у оквиру једињења.

„Кап која се дели практично изгледа као прото-ћелија", каже Ђакомо Бартолучи, још један коаутор студије.

Унутар малих мехурова који су претходили правим ћелијама, верују неки, можда се спојило градивно ткиво живота преко процеса веома налик моцарела фази италијанских научника.

Исте идеје помажу биолозима да разумеју како се плакови који изазивају Алцхајмерову болест згрушавају у мозгу.

Зашто су шпагете толики извор спекулација и проучавања за физичаре?

Под један, просте су – брашно, вода и топлота, каже Вишал Патил, један од изумитеља методе увртања и ломљења који је данас професор математике на Калифорнијском универзитету, у Сан Дијегу.

Чињеница да комбинација толико мало компоненти поставља толико много питања говори о томе како се физика суштински крије у свему што они виде и раде, каже Патил.

То такође показује да без обзира на то колико дубоко физичари закопали по великом и малом, одговори и даље могу не бити довољни да објасне феномене са којима се срећемо сваки дан.

Кад је у питању каћо и пепе, све алатке теоријске физике могу само да нам кажу оно што свака италијанска бака већ зна: нек вам шпорет буде на тихој ватри док га правите.

Лабораторијско електро-обртање може да постигне само незнатно тање шпагете од оних које жене из Нуора, у Италији, праве рукама сваки дан.

„Шпагете су напросто веома приступачна ствар са којом можете да се играте", каже Патил.

Ниска цена резанаца од брашна је оно што их чини народном посластицом за толико много култура широм света – шпагете су биле популарисане у Напуљу као улична храна.

Због тога Фејнман није оклевао кад је требало ломити гомиле њих на кухињском поду.

После дугог дана проведеног за школском таблом, док покушавају да продру кроз непробојну математику квантне механике или црних рупа, механичка чуда шпагета савршен су материјал за спекулације научника током ручка.

ББЦ на српском је од сада и на Јутјубу, пратите нас ОВДЕ.

Пратите нас на Фејсбуку, Твитеру, Instagramу и Вајберу. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]