Ο νόμος της βαρύτητας και τα …μακαρονια

Ο νόμος της βαρύτητας

Γράφει ο Θόδωρος Δημητριάδης

 Όλες οι μεγάλες επιστημονικές ανακαλύψεις έγιναν τυχαία. Για παράδειγμα, ο Άγγλος Ισαάκ Νεύτων μια μέρα που καθόταν ώρες πολλές κάτω από μια μηλιά και φιλοσοφούσε, ξαφνικά από ένα ψηλό κλαδί του δέντρου έπεσε πάνω στο κεφάλι του ένα μεγάλο κόκκινο μήλο starken. Ζαλίστηκε, άναψαν τα λαμπάκια του μυαλού του, και όταν συνήλθε κάπως ανακάλυψε τον περίφημο Νόμο της Βαρύτητας!

Οι σύγχρονοι επιστήμονες φιλοσοφούν και προβληματίζονται με τα μεγάλα μυστήρια του σύμπαντος και της προέλευσης του ανθρώπου για να δώσουν απαντήσεις στα προαιώνια προβλήματα και ερωτήματα, όπως για παράδειγμα, ποιός έγινε πρώτα, η κότα ή το αυγό, ποιός είναι ο σκοπός του ανθρώπου στη γη, τι συμβαίνει μετά τον θάνατο κλπ.

Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι μεγαλύτεροι φυσικοί και οι επιστήμονες προβληματίζονται όχι μόνο για το σχήμα του σύμπαντος, για τις κβαντικές ιδιότητες των μικροσωματιδίων και την ύπαρξη ζωής σε άλλους γαλαξίες, αλλά και στις αντιφατικές και αμφιλεγόμενες ιδιότητες των μακαρονιών. Ναι, των μακαρονιών! Έχουν κι αυτοί σαν όλους μας κανονικές ζωές έξω από το εργαστήριο και μερικές φορές ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβάνονται το σύμπαν αντικατοπτρίζεται στις καθημερινές τους συνήθειες. Και υπάρχει ένα καθημερινό φαγητό που φαίνεται να έχουν αδυναμία: τα μακαρόνια. Σαν τα μικρά παιδιά που τρώνε συνέχεια μακαρόνια με κιμά.

Έτσι, τα μακαρόνια αποτελούν αντικείμενο πολλών μελετών. Μέσω αυτής της έρευνας, οι φυσικοί συνεχίζουν να μαθαίνουν νέα πράγματα για τη στερεά κατάσταση της ύλης, τη χημεία των τροφίμων και να κάνουν περίπλοκες συνδέσεις με την προέλευση της ζωής. Η επιστήμη των μακαρονιών βοηθά να καταδειχθεί ότι βαθιά ερωτήματα κρύβονται στις συνηθισμένες μας συνήθειες. Για παράδειγμα: πόσα λεπτά χρειάζονται για να βράσουν τα μακαρόνια; Και γιατί;

Το τυπικό σπαγγέτι έχει πάχος μεταξύ ενός και δύο χιλιοστών. Υπάρχουν και άλλα μακρόστενα ζυμαρικά που ποικίλλουν σε διάμετρο, από το udon με 4mm έως τα «μαλλιά αγγέλου» με 0.8mm.

Πρόσφατα, όμως, μια ομάδα ερευνητών στο University College του Λονδίνου χρησιμοποίησαν μια νέα τεχνική και κατάφεραν να φτιάξουν το πιο λεπτό νήμα σπαγγέτι. «Με γυμνό μάτι σχεδόν δεν το βλέπεις», λέει η Beatrice Britton, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, «αλλά ένα ισχυρό μικροσκόπιο αποκαλύπτει ένα “χαλί” από κλωστές τόσο λεπτές όσο 0,1 χιλιοστά».

Αυτά τα ζυμαρικά είναι επίσης πολύ πιο σκληρά από τα κανονικά σπαγγέτι και η Britton και οι συνάδελφοί της ελπίζουν ότι η έρευνά τους μπορεί να αποτελέσει ένα βήμα προς βιοδιασπώμενες εναλλακτικές λύσεις για τις πλαστικές «νανοΐνες», οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα για το φιλτράρισμα υγρών και τη θεραπεία πληγών.

Το 1949 ο φυσικός του Πανεπιστημίου Brown, ο George F. Carrier έθεσε το «πρόβλημα των μακαρονιών» στο The American Mathematical Monthly, το οποίο έκρινε ότι είχε «σημαντικό λαϊκό αλλά και ακαδημαϊκό ενδιαφέρον». Ουσιαστικά, το πρόβλημα ισοδυναμεί με: «Γιατί δεν μπορώ να ρουφήξω ένα νήμα σπαγγέτι χωρίς να λερώσω το πρόσωπό μου με σάλτσα;». Οι εξισώσεις του έδειξαν πώς το εκτεθειμένο μακαρόνι ταλαντεύεται όλο και πιο πολύ καθώς γίνεται όλο και πιο κοντό (πλησιάζοντας το στόμα μας δηλαδή) και κάπως έτσι έχουμε και την… μοιραία έκρηξη της σάλτσας.

Αργότερα, δύο επιστήμονες αντέστρεψαν την πρωτοποριακή μελέτη του Carrier, διερευνώντας τι συμβαίνει όταν ένα χορδωτό αντικείμενο γλιστράει έξω από μια τρύπα αντί να απορροφάται μέσα σε αυτήν. Ονόμασαν την εκδοχή τους «αντίστροφο πρόβλημα σπαγγέτι».

Την σκυτάλη μετά πήρε ο σπουδαίος Αμερικανός φυσικός των μέσων του 20ου αιώνα, ο Richard Feynman, ο οποίος βοήθησε να «ξεκλειδώσουν» οι γρίφοι της κβαντομηχανικής, εξηγώντας πώς τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν τα άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Αλλά η τεράστια συμβολή του Feynman στη φυσική των μακαρονιών είναι λιγότερο γνωστή. Ένα βράδυ, ο Feynman αναρωτήθηκε γιατί είναι σχεδόν αδύνατο να σπάσει ένα στικ σπαγγέτι σε δύο κομμάτια αντί για τρία. Αυτός και ένας συνάδελφός του πέρασαν το υπόλοιπο της βραδιάς σπάζοντας σπαγγέτι μέχρι αυτά να… καλύψουν το πάτωμα της κουζίνας. Οι αναζητήσεις του Feynman πυροδότησαν 30 χρόνια προσπαθειών για την εξήγησή τους. Αυτό συνέβη τελικά το 2005, όταν δύο Γάλλοι ερευνητές έδειξαν ότι τα μακαρόνια σπάνε πάντα σε δύο κομμάτια – αλλά μόνο στην αρχή. Μετά το σπάσιμο, καθώς τα δύο λυγισμένα κομμάτια ξανασπάσουν, όλη η συσσωρευμένη τους τάση απελευθερώνεται σε ένα ωστικό κύμα, προκαλώντας περαιτέρω θρυμματισμό τους.

Ο Μίλτος Τεντόγλου και το άλμα επί κοντώ

Το 2018, μια ομάδα επιστημόνων του ΜΙΤ έγραψε μια εργασία για την μηχανικής των εύθραυστων ράβδων των σπαγγέτι και έκτοτε το «φαινόμενο της τριπλής θραύσης» είναι γνωστό στους αθλητές του άλματος επί κοντώ.

Σε μια πρόσφατη μελέτη, οι επιστήμονες έριξαν βρασμένα μακαρόνια στο έδαφος και μέτρησαν πώς συσπειρώνονται για να μάθουν για άλλα ελαστικά υλικά, από το σχοινί μέχρι τις αλυσίδες του DNA. Σε μια άλλη, οι φυσικοί έδεσαν τα μακαρόνια σε κόμπους και μελέτησαν ποιοι τύποι πίεσης θα τα έκαναν να σκιστούν [ή να σπάσουν].

Η φυσική των μακαρονιών ξεπερνά ακόμη και τα ίδια τα ζυμαρικά – η σάλτσα είναι φορτωμένη με τα δικά της επιστημονικά μυστήρια. Όταν οκτώ Ιταλοί φυσικοί συναντήθηκαν ενώ έκαναν έρευνα στο εξωτερικό στη Γερμανία, ερεύνησαν το κλασικό πιάτο cacio e pepe [μακαρόνια με πιπέρι και τυρί].

Η σάλτσα απαιτεί πολύ λίγα συστατικά – είναι βασικά ένα μείγμα από νερό ζυμαρικών που είχε κρατηθεί και τριμμένο τυρί πεκορίνο – αλλά όλοι τους συχνά απογοητεύονταν καθώς συχνά το τυρί μαζεύεται ανεπανόρθωτα, καταστρέφοντας τη σάλτσα που δημιουργείται. Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα όταν την μαγειρεύετε σε μεγάλες ποσότητες, γεγονός που έκανε τους φυσικούς να διστάζουν να καλέσουν τους Γερμανούς συναδέλφους τους για δείπνο. «Δεν μπορούμε να χαλάσουμε το cacio e pepe μπροστά στους Γερμανούς», λέει στο BBC ο Ivan Di Terlizzi, ο οποίος μελετά στατιστική και βιολογική φυσική στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Πολύπλοκων Συστημάτων στη Δρέσδη της Γερμανίας.

Η επιστήμη των μακαρονιών δείχνει ότι βαθιά ερωτήματα κρύβονται στις συνηθισμένες μας συνήθειες και ότι υπάρχουν πολλοί πεινασμένοι φυσικοί.

Η επιστημονική εξήγηση

Όταν οι Ιταλοί έφτιαξαν την σάλτσα, διαπίστωσαν ότι η «απλή» σάλτσα ήταν εξαιρετικά πολύπλοκη. Χημικά, είναι ένα διάλυμα με βάση το νερό με λίγα μόνο συστατικά: άμυλο (από το νερό των ζυμαρικών), λιπίδια (από το τυρί) και δύο είδη πρωτεϊνών (επίσης από το τυρί). Χρησιμοποιώντας τη συσκευή τους, βρήκαν μια φυσική εξήγηση για τους σβώλους που καταστρέφουν τη σάλτσα, εξήγηση την οποία ονόμασαν «φάση μοτσαρέλας».

Οι πρωτεΐνες γίνονται πιο κολλώδεις όταν είναι καυτές. Καθώς η σάλτσα θερμαίνεται, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό οδηγεί αυτές τις πρωτεΐνες να κολλάνε στα λιπίδια και να σχηματίζουν σβώλους που μοιάζουν με μοτσαρέλα ενώ το άμυλο σχηματίζει ένα προστατευτικό περίβλημα γύρω από τα μόρια των λιπιδίων, ώστε να μην μπορούν να κολλήσουν στις πρωτεΐνες. Αν όμως η σάλτσα ζεσταθεί πολύ, η αυξημένη κολλώδης δράση των πρωτεϊνών ξεπερνά αυτό το εμπόδιο. Γι αυτό προτείνουν την προσθήκη ενός μείγματος αμύλου καλαμποκιού διαλυμένου σε νερό. Κάτι, πάντως, που έχει προτείνει και ο σεφ Luciano Monosilio, βραβευμένος με αστέρι Michelin.

Τα μυστικά της ζωής στη Γη

Η φυσική που χρησιμοποίησαν οι ανωτέρω επιστήμονες συνδέει το cacio e pepe με την ίδια την προέλευση της ζωής στη Γη. Οι βιοφυσικοί χρησιμοποιούν το «διαχωρισμό φάσεων» για να κατανοήσουν πώς τα σταγονίδια ενός υγρού μπορούν να πήξουν και να διαιρεθούν μέσα σε ένα διάλυμα.

Γιατί τα μακαρόνια αποτελούν τέτοιο τόπο εικασιών και μελέτης για τους φυσικούς;

«Ένα σταγονίδιο που διαιρείται μοιάζει λίγο πολύ με ένα πρωτοκύτταρο», λέει ο Giacomo Bartolucci, ένας άλλος συν-συγγραφέας της μελέτης και κάποιοι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι τα δομικά στοιχεία της ζωής μπορεί να έχουν ενωθεί μέσω μιας διαδικασίας που μοιάζει πολύ με τη φάση της μοτσαρέλας των Ιταλών.

Οι ίδιες ιδέες βοηθούν τους βιολόγους να κατανοήσουν πώς συνενώνονται στον εγκέφαλο οι πλάκες που προκαλούν τη νόσο Αλτσχάιμερ. Ο Vishal Patil, καθηγητής μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο, σημειώνει ότι είναι συγκλονιστικό το ότι ένας συνδυασμός τόσο λίγων συστατικών εγείρει τόσα πολλά και βαθιά ερωτήματα.

«Τα μακαρόνια είναι ένα πολύ προσιτό πράγμα με το οποίο μπορείς να “παίξεις”», καταλήγει με νόημα ο Patil.

(πηγή: Τι αποκαλύπτουν τα μακαρόνια για το σύμπαν και τους μηχανισμούς του – Το «spaghetti problem» του 1949 – iefimerida).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Όπως όλοι ξέρουμε, το μεγαλύτερο πρόβλημα που βασανίζει τους οδηγούς αυτοκινήτων στις πόλεις είναι πού θα βρουν ελεύθερο χώρο για να παρκάρουν. 

Πρόσφατα, όπως έψαχνα με αγωνία επί μία ολόκληρη ώρα να παρκάρω, ξαφνικά ανακάλυψα κάτι εκπληκτικό. Δεν πίστευα στα μάτια μου! Μια ελεύθερη θέση, και μάλιστα στη σκιά ενός μεγάλου δέντρου! Παρκάρισα ευτυχισμένος, αλλά την άλλη μέρα που πήγα στο αυτοκίνητο, τι να δω; Ήταν αγνώριστο και εμπριμέ από τις κουτσουλιές των περιστεριών, που μαζεύονται κάθε βράδυ και κουρνιάζουν εκεί πάνω στο δέντρο. Τότε κατάλαβα γιατί οι άλλοι οδηγοί δεν παρκάρουν σ’ εκείνο το μέρος. Κι όταν πλησίασα να ανοίξω την πόρτα, μια αδέσποτη κουτσουλιά πέρασε σύριζα από το κεφάλι μου και έπεσε πάνω στα ρούχα μου. Έτσι, ανακάλυψα κι εγώ τον νόμο της βαρύτητας!