Natuurkundigen ontdekten dat door de oorsprong en het koken van pasta te bestuderen, fundamentele universele antwoorden konden worden gevonden – ontdek hoe.
Je zou kunnen denken dat natuurkundigen alleen grote vragen stellen. Meestal horen we over de natuurkunde van het kosmische en het minuscule, de vorm van ons universum en de aard van de deeltjes waaruit het bestaat. Maar ze hebben natuurlijk ook een dagelijks leven buiten het laboratorium, en soms strekt hun manier om het universum in vraag te stellen zich uit tot hun dagelijkse gewoonten. Eén alledaags voedingsmiddel lijkt hen in het bijzonder te obsederen: spaghetti.
Al minstens een eeuw is spaghetti het onderwerp van rigoureus onderzoek. Dankzij dit onderzoek blijven natuurkundigen nieuwe dingen leren over de vaste stof, de chemie van voedsel en leggen ze zelfs verbanden met de oorsprong van het leven.
De gestage stroom spaghetti-wetenschap helpt om aan te tonen dat er diepgaande vragen zijn in onze dagelijkse routine, en dat er veel naar kennis hongerende natuurkundigen zijn die het niet kunnen laten om ze te stellen.
Bijvoorbeeld: hoe dun kan spaghetti zijn? De typische spaghetti (de naam voor een afzonderlijke streng spaghetti) is tussen één en twee mm dik.
Andere lange noedels variëren echter sterk in diameter, van 4 mm udon tot 0,8 mm engelenhaar. De dunste handgemaakte slierten heten su filindeu, 0,4 mm, zo dun dat alleen een paar vrouwen in Nuoro, Italië, weten hoe ze ze moeten maken.
Maar onlangs vroeg een team onderzoekers van het University College in Londen zich af of laboratoriumapparatuur uit de 21e eeuw hun prestaties zou kunnen verbeteren. Ze gebruikten een techniek die “electro-spinning” heet. Eerst losten ze bloem op in een speciale elektrisch geladen oplossing in een spuit. Daarna plaatsten ze de spuit op een speciale negatief geladen plaat.
“Dit zorgt ervoor dat de oplossing door de doseernaald naar beneden in de opvangplaat beweegt en een vezelige noedelachtige vorm aanneemt ,” legt Beatrice Britton uit, hoofdauteur van het onderzoek.
Toen de oplossing opdroogde, verkregen de onderzoekers een kriskras door elkaar liggende streng van ongelooflijk dunne spaghetti.
“Met het blote oog zie je gewoon een soort lasagneblad,” zegt Britton, maar een krachtige microscoop onthult een mat gemaakt van strengen zo dun als 0,1 mm. Deze noedels zijn ook veel stijver dan gewone spaghetti.
Britton en zijn collega’s hopen dat hun onderzoek een stap is in de richting van biologisch afbreekbare alternatieven voor plastic nanovezels, die nu worden gebruikt om vloeistoffen te filteren en wonden te behandelen.
Rommelige wetenschap
De dunste spaghetti ter wereld is slechts één recent voorbeeld van hoe natuurkundigen niet kunnen stoppen met het gebruiken van hun gereedschap op ieders favoriete koolhydraat. Maar het gebruik van noedels door natuurkundigen is niets nieuws.
In 1949 stelde de natuurkundige George F. Carrier van Brown University het “spaghettiprobleem” in The American Mathematical Monthly, dat het “van aanzienlijk populair en wetenschappelijk belang” noemde.
In essentie komt het probleem neer op: “Waarom kan ik geen spaghetti opslurpen zonder saus op mijn gezicht te krijgen?”.
Zijn vergelijkingen toonden aan hoe de blootgestelde streng met grotere kracht oscilleerde naarmate hij korter werd. Dit garandeerde een uiteindelijke smak van de noedel tegen de lip van de slurper en de noodlottige uitbarsting van saus die Carrier zo betreurde.
Helaas boden zijn wiskundige formules geen oplossing om dit te voorkomen. Het zit net zo diep in de wetten van het universum gegrift als de oerknal.
Later hebben twee wetenschappers het baanbrekende onderzoek van Carrier omgekeerd en onderzocht wat er gebeurt als een draderig voorwerp uit een gat glijdt in plaats van erin te worden gezogen.
Ze noemden hun versie het “omgekeerde spaghettiprobleem”, bekend bij elk ongeduldig diner dat wel eens aangebrande pasta heeft moeten uitspugen omdat hij niet had gewacht tot het was afgekoeld.
Tot nu toe heeft nog geen enkele theoretische natuurkundige zich gewaagd aan het complexere probleem van twee honden die aan beide uiteinden van dezelfde streng spaghetti slurpen.
De grote Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman uit het midden van de vorige eeuw hielp de mysteries van de kwantummechanica te ontsluieren door uit te leggen hoe de elementaire deeltjes waaruit atomen bestaan met elkaar interageren.
Feynmans enorme bijdrage aan de spaghettifysica is echter minder bekend.
Op een nacht vroeg Feynman zich af waarom het bijna onmogelijk is om een stuk spaghetti in twee stukken te breken in plaats van in drie. Hij en een collega brachten de rest van de nacht door met het breken van spaghetti totdat de keukenvloer bedekt was.
Feynmans onderzoek naar de contra-intuïtieve fysica van droge spaghetti leidde tot een kwart eeuw van pogingen om het te verklaren.
Dit gebeurde uiteindelijk in 2005, toen twee Franse onderzoekers aantoonden dat spaghetti in eerste instantie altijd in tweeën breekt. Maar na de breuk, wanneer de twee gebogen stukken weer rechtop worden gezet, komt alle opgehoopte spanning vrij in een schokgolf, wat verdere versplintering veroorzaakt.
In 2018 ontdekte een team van MIT-wetenschappers hoe de schokgolf kon worden ingedamd: door de spaghettistreng voorzichtig te draaien voordat deze breekt. Hun methode vereiste laboratoriumapparatuur, maar produceerde betrouwbaar een paar perfecte fragmenten.
Zijn werk zorgde voor een nieuw en dieper begrip van brosse staven dat verder gaat dan spaghetti; het fenomeen van driewegbreuk is bijvoorbeeld welbekend bij polsstokhoogspringers.
Een mechanisch wonder
Mijn (Italiaans-Amerikaanse) moeder leerde me om een bos gedroogde spaghetti doormidden te breken voordat ik het in kokend water deed, zodat het horizontaal in de pan paste.
Ik neem aan dat Feynman hetzelfde deed, maar het is een schandaal voor veel spaghettivreters in de wereld. Als je die laatste bent, leg je de bundel gedroogde spaghetti rechtop in de pot met kokend water en kijk je hoe hij langzaam zacht wordt, vouwt en onder water komt.
Dit vertrouwde spaghettigedrag lijkt misschien geen raadsel, maar probeer maar eens een vers gekrulde spaghetti uit de pot te halen en te laten drogen. Hij zal gekruld blijven in plaats van terug te keren naar zijn oorspronkelijke rechte lengte; iets in die eerste paar minuten verandert de samenstelling van de spaghetti onomkeerbaar.
In 2020 hebben twee natuurkundigen deze transmutatie eindelijk verklaard. Het komt door een eigenschap die “visco-elasticiteit” wordt genoemd, een naam voor de unieke manier waarop materialen zoals spaghetti reageren op fysieke spanning. Door deze speciale eigenschap kan water door de buitenste lagen van de streng stromen. De vreemde mechanica van gekookte spaghetti gaat zelfs nog verder.
In één onderzoek lieten wetenschappers strengen op de grond vallen en maten hoe ze oprolden om meer te leren over andere elastische materialen, van touwtjes tot DNA-strengen. In een ander onderzoek bonden natuurkundigen spaghetti in knopen en bestudeerden welke spanningen ervoor zorgden dat ze scheurden.
De fysica van spaghetti gaat verder dan de pasta zelf: de saus zit vol wetenschappelijke mysteries. Toen acht Italiaanse natuurkundigen elkaar ontmoetten tijdens hun onderzoek in Duitsland, deelden ze een frustratie over het klassieke Romeinse gerecht cacio e pepe.
Voor de saus zijn maar heel weinig ingrediënten nodig – in feite is het een mengsel van gereserveerd pastawater en geraspte pecorino kaas – maar ze hadden allemaal ervaren dat de saus verontrustend wispelturig was.
Vaak klonterde de kaas onherroepelijk samen, waardoor de saus verpest werd. Dit komt vooral voor bij het bereiden van grote hoeveelheden, waardoor de natuurkundigen aarzelden om hun Duitse collega’s uit te nodigen voor een etentje.
“We kunnen niet fout gaan met cacio e pepe in het bijzijn van de Duitsers,” zegt Ivan Di Terlizzi, die statistische en biologische fysica studeert aan het Max Planck Instituut voor Complexe Systeemfysica in Dresden, Duitsland.
Gelukkig waren onder hen enkele van ’s werelds meest vooraanstaande experts op het gebied van de fysica van “fasescheiding”, precies het soort stollingsfenomeen dat hun groepsdiners plaagde.
Terwijl ze de fasescheiding van cacio e pepe bespraken, realiseerden ze zich dat het ook vanuit wetenschappelijk oogpunt een raadsel was.
“Dit is echt een interessant probleem,” zegt Daniel Maria Busiello, co-auteur van het cacio-onderzoek. “Dus besloten we een experimenteel apparaat te ontwerpen om al deze aspecten te testen.
Het “apparaat” bestond uit een waterbad met een lage temperatuur, een keukenthermometer, een petrischaal en een iPhone-camera die was aangesloten op een lege doos. Ze nodigden alle hongerige vrienden die ze konden vinden uit in Di Terlizzi’s flat en begonnen een heel weekend lang cacio e pepe te koken.
Ze ontdekten dat de “eenvoudige” saus enorm complex was. Chemisch gezien is het een waterige oplossing met slechts een paar componenten: zetmeel (uit het water van de pasta), lipiden (uit de kaas) en twee soorten proteïne (ook uit de kaas). Met behulp van hun apparaat vonden ze een natuurkundige verklaring voor de klonten die de saus verpestten en die ze “mozzarella fase” noemden.
Eiwitten worden, in tegenstelling tot de meeste moleculen, plakkeriger bij verhitting. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de saus wordt verhit, deze eiwitten aan de lipiden blijven plakken en mozzarella-achtige klontjes vormen.
In een goed gemaakte cacio e pepe wordt dit voorkomen door zetmeel, dat een beschermende laag om de lipidemoleculen vormt zodat ze niet aan de eiwitten blijven plakken. Als de saus te sterk wordt verhit, zal de verhoogde kleverigheid van de eiwitten deze barrière overwinnen.
Toen ze eenmaal de wetenschap achter de saus begrepen, was het duidelijk hoe ze het konden oplossen. “Als je genoeg zetmeel boven een bepaalde drempel toevoegt, krijg je dit soort scheiding niet,” zegt Di Terlizzi. Pastawater bevat meestal niet genoeg zetmeel om deze drempelwaarde te garanderen, dus ze stellen voor om een mengsel van maïszetmeel opgelost in water toe te voegen.
De groep besloot hun manuscript af te sluiten met een waterdicht recept voor dit klassieke gerecht. Maar toen ze de overvloedige wetenschappelijke literatuur doornamen, realiseerden ze zich dat ze niet de eersten waren die deze cacio-epifanie hadden bereikt.
In naam van de academische integriteit haalden ze een YouTube-video aan waarin de met een Michelin-ster bekroonde Romeinse chef Luciano Monosilio dezelfde truc suggereert voor een waterdicht recept: een snufje maïzena. “Het is de enige niet-wetenschappelijke referentie in ons artikel,” zegt Di Terlizzi.
De natuurkunde die ze gebruikten verbindt het samenklonteren van cacio e pepe met ideeën over de oorsprong van het leven op aarde.
Biofysici gebruiken fasescheiding om te begrijpen hoe vloeibare druppels kunnen stollen en zich kunnen splitsen in een oplossing. “Een splitsende druppel lijkt veel op een protocel,” zegt Giacomo Bartolucci, een andere medeauteur van het onderzoek.
Sommigen geloven dat de bouwstenen van het leven in de kleine belletjes die aan de echte cellen voorafgingen, samenkwamen door een proces dat lijkt op de Italiaanse “mozzarella-fase”. Dezelfde ideeën helpen biologen te begrijpen hoe de plaques in de hersenen die de ziekte van Alzheimer veroorzaken zich aan elkaar binden.
Waarom is spaghetti een onderwerp van speculatie en studie voor natuurkundigen?
Om te beginnen is het simpel: bloem, water en warmte, zegt Vishal Patil, een van de ontdekkers van de twist-and-break-methode, die nu hoogleraar wiskunde is aan de Universiteit van Californië in San Diego.
Het feit dat een combinatie van zo weinig componenten zoveel diepe vragen oproept, laat zien hoe natuurkunde ten grondslag ligt aan alles wat ze zien en doen, zegt Patil.
Het laat ook zien dat hoeveel natuurkundigen het grote en het kleine ook onderzoeken, de antwoorden misschien niet genoeg zijn om de fenomenen te verklaren die we elke dag waarnemen.
Als het om cacio e pepe gaat, kunnen alle instrumenten van de theoretische natuurkunde ons alleen vertellen wat elke Italiaanse grootmoeder weet: zet het fornuis op een laag vuurtje als je het klaarmaakt. Elektrospinnen in laboratoria kan spaghetti alleen iets dunner maken dan de spaghetti die de vrouwen in Nuoro, Italië, elke dag met de hand bereiden.
“Spaghetti is iets heel betaalbaars waarmee je kunt experimenteren,” zegt Patil. De lage kosten van meelnoedels hebben ze tot een populaire delicatesse gemaakt voor zoveel culturen over de hele wereld; spaghetti werd populair in Napels als straatvoedsel. Daarom aarzelde Feynman niet om er kilo’s van op zijn keukenvloer te gooien.
Na een lange dag achter het schoolbord, waarbij de ondoordringbare wiskunde van kwantummechanica of zwarte gaten werd bestudeerd, zijn de mechanische wonderen van spaghetti het perfecte materiaal voor lunchonderzoek door wetenschappers.
