سرویس فناوری - وقتی به پاستا نگاه می‌کنید، احتمالاً ذهنتان فوراً به اسرار جهان پرواز نمی‌کند؛ اما برای نزدیک به یک قرن، ویژگی‌های پاستا برای فیزیکدان‌ها جذاب بودند. ...

به گزارش سرویس فناوری جیرجیرک به نقل از فرادید - شاید فکر کنید که فیزیکدانان فقط به پرسش های بزرگ پاسخ می دهند. معمولاً درباره ی فیزیک کیهانی و ذرات زیراتمی یا درباره ی شکل جهان و ماهیت ذراتی که آن را پر کرده اند، می شنویم؛ اما فیزیکدان ها خارج از آزمایشگاه زندگی معمولی خود را دارند و گاهی طرز نگاهشان به جهان در عادات روزمره شان نیز نمایان می شود. به نظر می رسد که یک شیء روزمره به طور ویژه ای ذهن آن ها را مشغول کرده است: اسپاگتی.

حداقل برای یک قرن، اسپاگتی موضوع مطالعات دقیق بوده است. از طریق این پژوهش ها، فیزیکدانان همچنان به کشف نکات جدیدی درباره ی حالت جامد ماده، شیمی غذا و حتی ارتباطاتی با منشأ حیات ادامه می دهند. جریان پیوسته ی علم اسپاگتی نشان می دهد پرسش های عمیقی در زندگی روزمره وجود دارد و تعداد زیادی فیزیکدان گرسنه وجود دارد که نمی توانند از پرسیدن آن ها دست بکشند.

برای مثال، اسپاگتی تا چه حد می تواند نازک باشد؟ ضخامت یک رشته ی معمولی اسپاگتی که به آن «اسپاگتو» گفته می شود، بین ۱ تا ۲ میلی متر است؛ اما سایر رشته های بلند تفاوت زیادی در قطر دارند؛ از اودون به قطر ۴ میلی متر تا آنجل هِیر که ۰٫۸ میلی متر ضخامت دارد. نازک ترین رشته های دست ساز، «سو فیلیندئو» نام دارند و ضخامت آن ها به ۰٫۴ میلی متر می رسد؛ این رشته ها به قدری ظریف هستند که تنها چند زن در نیوروی ایتالیا روش درست کردن آن ها را می دانند.

با این حال اخیرا تیمی از پژوهشگران در کالج دانشگاهی لندن کنجکاو شدند که آیا تجهیزات آزمایشگاهی قرن ۲۱ می توانند عملکرد بهتری داشته باشند؟ آن ها 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 صفحه ی ویژه که بار منفی دارد نگه داشتند. بیاتریس بریتون، نویسنده ی اصلی این مطالعه می گوید:

هنگامی که محلول خشک شد، پژوهشگران با رشته های درهم تنیده ای از اسپاگتی فوق العاده نازک مواجه شدند به طوری که به گفته ی بریتون، با چشم غیرمسلح تنها چیزی شبیه به یک ورقه لازانیا را می توان دید، اما یک میکروسکوپ قدرتمند، حصیری از رشته هایی را نشان می دهد که ضخامت آن ها تنها ۰٫۱ میلی متر است. این نودل ها همچنین بسیار سخت تر از اسپاگتی معمولی هستند. بریتون و همکارانش امیدوارند که پژوهش آن ها بتواند گامی به سوی جایگزین های زیست تجزیه پذیر برای نانوالیاف پلاستیکی باشد که در حال حاضر برای تصفیه ی مایعات و درمان زخم ها استفاده می شوند.

علم پرهرج ومرج

نازک ترین اسپاگتی جهان تنها یکی از نمونه های بارزی است که نشان می دهد فیزیکدانان نمی توانند دست از آزمایش روی محبوب ترین کربوهیدرات دنیا بردارند؛ اما فکر کردن به اسپاگتی در میان فیزیکدانان چندان هم گرایش جدیدی نیست. در سال ۱۹۴۹، جورج اف. کریر، فیزیکدان دانشگاه براون، در مجله ی The American Mathematical Monthly «مسئله ی اسپاگتی» را مطرح کرد که به باور او دارای محبوبیت چشمگیر و جذابیت آکادمیک بود. در اصل این مسئله در این پرسش خلاصه می شود: «چرا نمی توانم یک رشته اسپاگتی را بدون این که سس روی صورتم بریزد، بخورم؟»

معادلات کریر نشان داد که هر چه رشته ی اسپاگتی کوتاه تر شود، نوسان های شدیدتری پیدا می کند که در نهایت باعث برخورد نودل به لب فرد و پاشیده شدن سس می شود؛ اتفاقی که کریر از آن بیزار بود. متأسفانه، فرمول های ریاضی او هیچ راهی برای جلوگیری از این برخورد ارائه ندادند.

بعدها، دو دانشمند مطالعه ی پیشگامانه ی کریر را معکوس کردند. آن ها بررسی کردند چه اتفاقی می افتد وقتی یک جسم رشته ای به جای مکیده شدن، از یک سوراخ بیرون کشیده شود. آن ها نسخه ی خود را «مسئله ی معکوس اسپاگتی» نامیدند که برای هر فرد بی صبری که مجبور شده پاستای داغ را بیرون بیندازد، آشناست. تا به امروز، هیچ فیزیکدان نظری ای هنوز مسئله ی پیچیده ترِ دو سگ که هم زمان از دو طرف یک رشته ی اسپاگتی آن را می مکند، حل نکرده است.

ریچارد فاینمن، فیزیکدان برجسته ی آمریکایی در میانه ی قرن بیستم، به حل معماهای مکانیک کوانتومی کمک کرد و توضیح داد که چگونه ذرات زیراتمی با یکدیگر تعامل دارند؛ اما دستاورد بزرگ او در فیزیک اسپاگتی چندان شناخته شده نیست.

یک شب، فاینمن از خود پرسید چرا شکستن یک رشته ی اسپاگتی معمولاً به سه تکه شدن آن و نه دو تکه شدن منجر می شود. او و همکارش باقی شب را مشغول شکستن رشته های اسپاگتی بودند تا جایی که کف آشپزخانه کاملاً با تکه های اسپاگتی پوشیده شد. فیزیک اسپاگتی حتی فراتر از خود پاستا می رود؛ چرا که سس نیز پر از رازهای علمی خودش است.

کنجکاوی فاینمن درباره ی فیزیک غیرمنتظره ی اسپاگتی خشک باعث شد که پژوهش های علمی در این زمینه تا ۲۵ سال ادامه یابد. سرانجام در سال ۲۰۰۵ دو پژوهشگر فرانسوی نشان دادند که اسپاگتی در ابتدا تنها به دو تکه می شکند، اما پس از شکست اولیه، دو بخش خم شده هنگام بازگشت به حالت اولیه، انرژی ذخیره شده ی خود را به صورت یک موج شوک آزاد می کنند که باعث شکسته شدن بیشتر آن می شود.

در سال ۲۰۱۸، گروهی از دانشمندان MIT راهی برای مهار این موج شوک پیدا کردند: پیچاندن ملایم رشته ی اسپاگتی قبل از شکستن آن. روش آن ها نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی داشت، اما نتیجه ی آن تولید دو قطعه ی کاملاً متقارن بود. این تحقیق درک عمیق تری از شکستن میله های شکننده ارائه داد که فراتر از اسپاگتی بود؛ برای مثال، پدیده ی شکست سه گانه در پرش با نیزه هم مشاهده می شود.

شگفتی مکانیکی

برخی افراد قبل از انداختن اسپاگتی خشک در آب جوش، آن را از وسط نصف می کنند تا به صورت افقی در قابلمه جا بگیرد. احتمالا فاینمن هم همین کار را می کرد، اما این کار برای بسیاری از دوستداران اسپاگتی در جهان یک توهین محسوب می شود. اگر شما هم از گروه دوم هستید، حتما اسپاگتی خشک را به صورت عمودی در قابلمه آب جوش قرار می دهید و تماشا می کنید که چگونه به آرامی نرم می شود، خم می شود و خود را در آب فرو می برد.

این رفتار آشنای اسپاگتی شاید معمایی به نظر نرسد، اما سعی کنید یک رشته ی تازه خم شده را از قابلمه بیرون بیاورید و بگذارید خشک شود. مشاهده خواهید کرد که این رشته به حالت خمیده باقی می ماند و به طول صاف اولیه خود بازنمی گردد؛ به طوری که در آن چند دقیقه ی اول، چیزی در ساختار اسپاگتی به طور غیرقابل برگشتی تغییر می کند. در سال ۲۰۲۰، دو فیزیکدان بالاخره این دگرگونی اسپاگتی را توضیح دادند. این پدیده به خصوصیتی به نام «ویسکوالاستیسیته» مربوط می شود؛ اصطلاحی برای توصیف نحوه ی منحصربه فرد واکنش موادی مانند اسپاگتی به تنش فیزیکی. این خاصیت ویژه باعث می شود که آب بتواند از میان لایه های بیرونی رشته ی اسپاگتی جریان یابد.

مکانیک عجیب اسپاگتی پخته شده فراتر از این ها است. در یک مطالعه، دانشمندان رشته های اسپاگتی را روی زمین انداختند و نحوه ی پیچ وتاب خوردن آن ها را اندازه گیری کردند تا درباره ی دیگر مواد کشسان، از طناب گرفته تا رشته های DNA، اطلاعات بیشتری کسب کنند. در مطالعه ای دیگر، فیزیکدانان اسپاگتی ها را به گره تبدیل کردند و بررسی کردند که چه نوع تنشی باعث پاره شدن آن ها می شود.

دانشمندان با پی بردن به ماهیت اسپاگتی به حل رازهای جهان کمک می کنند

فیزیک اسپاگتی حتی فراتر از خود پاستا می رود، سس نیز پر از اسرار علمی خاص خود است. زمانی که هشت فیزیکدان ایتالیایی در حین انجام تحقیقات در آلمان با یکدیگر ملاقات کردند، متوجه شدند که همه ی آن ها با یک مشکل مشترک در غذای کلاسیک رومی به نام «کاتچو اِ پِپه»، مواجه بوده اند.

سس کاتچو ا پپه به مواد بسیار کمی نیاز دارد و در اصل ترکیبی از آب باقی مانده ی پاستا و پنیر پکورینو رنده شده است؛ اما پژوهشگرها از ناپایداری عجیب آن شگفت زده شده بودند. اغلب اوقات، پنیر به طور غیرقابل برگشتی به توده هایی تبدیل می شود و سس را خراب می کند. این مشکل به ویژه زمانی شایع تر است که سس را در مقادیر زیاد درست کنید و همین موضوع باعث شده بود که این فیزیکدانان در دعوت همکاران آلمانی شان به شام مردد باشند. ایوان دی ترلیتزی که در مؤسسه ی فیزیک سیستم های پیچیده ماکس پلانک در درسدن، آلمان، به مطالعه ی فیزیک آماری و زیستی می پردازد، می گوید: «نمی توانیم کاتچو اِ پِپه را جلوی آلمانی ها خراب کنیم!»

خوشبختانه، در میان آن ها برخی از برجسته ترین متخصصان فیزیک «جداسازی فازی» حضور داشتند. آن ها هنگام بحث درباره ی جداسازی فازی در کاتچو اِ پِپه متوجه شدند که این موضوع از منظر علمی نیز گیج کننده است. علم اسپاگتی نشان می دهد که حتی اگر فیزیکدانان در بررسی مقیاس های بزرگ و کوچک عمیق شوند، پاسخ ها همچنان ممکن است برای توضیح پدیده هایی که هر روز می بینیم کافی نباشند. دانیل ماریا بوزیلو، یکی از نویسندگان مطالعه ی مربوط به کاتچو اِ پِپه، می گوید:

دستگاه یادشده شامل یک حمام آب با دمای پایین، یک دماسنج آشپزخانه، یک ظرف پتری و یک دوربین آیفون متصل به یک جعبه ی خالی بود. آن ها هر تعداد دوست گرسنه ای که می توانستند 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 فوق العاده 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). آن ها با استفاده از دستگاهشان توضیحی فیزیکی برای توده هایی که باعث خراب شدن سس می شدند، پیدا کردند و آن را «فاز موزارلا» نامیدند.

برخلاف بیشتر مولکول ها، پروتئین ها هنگام گرم شدن چسبناک تر می شوند. پژوهشگران دریافتند که با افزایش دمای سس، این خاصیت باعث می شود پروتئین ها به لیپیدها بچسبند و توده هایی شبیه به موزارلا تشکیل دهند. در یک کاتچو اِ پِپه ی خوب، نشاسته مانع از این اتفاق می شود. نشاسته یک لایه ی محافظ در اطراف مولکول های لیپید ایجاد می کند و از چسبیدن آن ها به پروتئین ها جلوگیری می کند؛ اما اگر سس بیش از حد داغ شود، چسبندگی بیشتر پروتئین ها این سد را از بین می برد.

پس از درک علم پشت این پدیده، راه حل آن نیز آشکار شد. دی ترلیتزی می گوید: «اگر مقدار نشاسته ی کافی را از یک حد معین بالاتر ببرید، دیگر این حالت جداشدگی رخ نمی دهد.» آب پاستا معمولاً نشاسته ی کافی برای تضمین این حد آستانه را ندارد، بنابراین محققان پیشنهاد کردند که مخلوطی از نشاسته ی ذرت حل شده در آب به سس اضافه شود.

گروه تصمیم گرفتند که دست نوشته ی 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» رسیده اند. برای حفظ صداقت علمی، آن ها در مقاله ی خود به یک ویدیوی یوتیوبی اشاره کردند که در آن لوچیانو مونسولیو، سرآشپز رومی دارنده ی ستاره ی میشلن، همین راهکار افزودن کمی نشاسته ی ذرت را برای داشتن دستوری بی نقص توصیه می کند. دی ترلیتزی می گوید: «این تنها منبع غیرعلمی مقاله ی ما است.»

فیزیکی که پژوهشگرها به کار گرفتند، چسبندگی کاتچو اِ پِپه را به ایده هایی درباره ی منشأ حیات روی زمین مرتبط می کند. زیست فیزیکدانان از مفهوم «جداسازی فازی» برای درک چگونگی انعقاد و تقسیم قطرات مایع درون یک محلول استفاده می کنند. جیاکومو بارتولوچی، یکی دیگر از نویسندگان این پژوهش، می گوید: «تقسیم یک قطره بسیار شبیه به تشکیل یک پیش سلول است.» برخی معتقدند که درون این حباب های کوچک که پیش از سلول های واقعی وجود داشتند، اجزای سازنده ی حیات از طریق فرآیندی مشابه «فاز موزارلا» گرد هم آمده اند. همین ایده ها به زیست شناسان کمک می کند تا بفهمند پلاک هایی که باعث بیماری آلزایمر می شوند، چگونه در مغز تجمع می یابند.

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

همچنین مسئله اسپاگتی نشان می دهد هرچقدر فیزیکدانان در بررسی های خود عمیق تر شوند، پاسخ ها همچنان ممکن است برای توضیح پدیده هایی که هر روز با آن ها روبه رو هستیم، کافی نباشند. درباره ی کاتچو اِ پِپه، تمام ابزارهای فیزیک نظری صرفا می توانند چیزی را تأیید کنند که هر مادربزرگ ایتالیایی از پیش می دانست: هنگام پختن آن، شعله ی اجاق را پایین نگه دارید. روش های آزمایشگاهی برای تولید الیاف فوق العاده نازک، تنها اندکی نازک تر از اسپاگتی هایی است که زنان شهر نیورو در ایتالیا روزانه با دست تهیه می کنند.

پاتیل می گوید: «اسپاگتی یکی از در دسترس ترین چیزهایی است که می توان با آن کار کرد.» هزینه ی پایین نودل های بر پایه ی آرد، آن ها را به یک خوراک محبوب و در دسترس برای بسیاری از فرهنگ ها در سراسر جهان تبدیل کرده است و همچنین اسپاگتی در ناپل یکی از غذاهای خیابانی رایج به شمار می رود. به همین دلیل فاینمن بدون هیچ تردیدی توده ای از اسپاگتی را روی کف آشپزخانه ی خود می شکست.

پس از یک روز طولانی در پای تخته سیاه، درگیر با ریاضیات دشوار مکانیک کوانتومی یا سیاه چاله ها، شگفتی های مکانیکی اسپاگتی بهترین سرگرمی برای ذهن دانشمندان در هنگام غذاخوردن است.

منبع: خبرآنلاین