義大利麵，我們平日裡再熟悉不過的食物，在物理學家眼中卻不該隻在餐桌上出現，它有著相當獨特的物理性質，不放在實驗室裡好好研究一下就太可惜了。
人類終於把義大利麵折成兩段啦！
大物理學家費曼曾經隨手折斷了幾根生的義大利麵，卻意外地發現義大利麵會折成三節或者更多節，而從來沒有折斷成兩節。
他找來更多義大利麵，捏住義大利麵的兩端後彎折直至斷裂，如此嘗試了很多次，仍然沒法把義大利麵折斷成恰好兩節。
他把這個發現寫進了日記裡，在長達數十年的時間裡，這個現象一直沒有得到很好的解釋。
費曼的困惑：如何把一根義大利麵折斷成恰好兩段？
| 參考資料[10]
直到2005年，問題的解決終於出現了曙光。
法國的兩位物理學家Basile Audoly和S´ebastien Neukirch研究了義大利麵折斷的動力學原理，對斷成多節的現象給出了理論解釋。
在義大利麵的兩端施加壓力，它會在中間彎曲度最大的位置折斷。
因為慣性，斷裂後的義大利麵會向反方向彎曲，直至恢復筆直。
彎曲狀態在極短時間內發生變化，會在義大利麵中激發強烈的振動波，從而進一步使麵條斷裂成更多節。
這一過程在力學中被稱為級聯斷裂《fracture cascade，英文字面意思為『斷裂瀑佈』，形容斷裂在振動波作用下像瀑佈一樣連綿不斷》。
這項關於義大利麵的研究讓兩位物理學家榮獲2006年的搞笑諾貝爾物理學獎。
高速攝像機拍攝的義大利麵彎曲後的斷裂過程 | 參考資料[2]
知道不能斷成兩節的原理後，能不能在這個基礎上，讓義大利麵能確實斷裂成兩段呢？
又等到了2018年，分別來自康奈爾大學和麻省理工學院的兩位研究生Ronald Heisser與Vishal Patil發現了將義大利麵折斷成恰好兩段的方法：扭轉《twist》和『淬滅』《quench》。
為研究義大利麵斷裂專門設計的儀器 | 參考資料[3]
兩位研究生設計了一個特殊的儀器——儀器的兩個夾子固定義大利麵的兩端，一端可以通過旋轉將義大利麵扭轉一定角度，另一端可以自由滑動使義大利麵彎曲。
他們用高速攝像機以每秒100萬幀的速度記錄了義大利麵扭轉後的斷裂過程，最終發現義大利麵在扭轉超過250°這個臨界角度後基本隻會斷裂成兩段。
大角度扭轉後的義大利麵斷裂成兩段
《上圖為實驗記錄，下圖為軟件模擬》| 參考資料[3]
Patil從理論角度解釋了扭轉能改變義大利麵斷裂方式的原因：和彎曲狀態改變產生振動波《不妨簡稱『彎曲波』》的原理類似，義大利麵從扭轉的狀態恢復成原狀會產生『扭轉波』，扭轉的角度足夠大，扭轉波足以抑制彎曲波的傳播，不再引發級聯斷裂。
扭轉角度為100°，義大利麵仍然會斷裂成多段 | 參考資料[3]
另一種將義大利麵折斷成恰好兩段的方法叫做淬滅，簡單來說就是減速，溫水煮青蛙，慢夾折義大利麵。
實驗結果表明，義大利麵在彎折速度較快的情況下，更容易折斷成多截，那我們只要夠慢，就能讓義大利麵折成兩段。
以5毫米/秒《圖A》和300毫米/秒《圖B》的速度
彎曲義大利麵的對比 | 參考資料[3]
煮出口感最佳的義大利麵！
除了費盡功夫折義大利麵，物理學家還會帶著做研究的架勢去煮義大利麵。
來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究者Sameh Tawfick就帶領團隊研究了煮面過程中義大利麵的膨脹、軟化、粘結等物理變化，建立了義大利麵的膨脹動力學模型，並用實驗驗證了該模型。
他們把裝有蒸餾水的燒杯放在加熱板上加熱，待水達到一定溫度後，將兩根平行的義大利麵麵條垂直放入水中，每隔一段時間記錄一次麵條的變化。
煮義大利麵的實驗方法 | 參考資料[1]
在熱水中，麵條經歷了吸濕膨脹《hygroscopic swelling》的物理過程，水分子進入麵條內部後，麵條也隨之膨脹。
將麵條簡單視為圓柱體，膨脹主要體現在徑向和軸向上：徑向膨脹就是麵條變『粗』了，軸向膨脹則是麵條變『長』了。
在完全煮爛前，麵條兩個方向上的膨脹有定量關系，徑向的膨脹大約是軸向的3.5倍。
水中的義大利麵在徑向和軸向的膨脹 | 參考資料[1]
生活經驗告訴我們，越脹的面就越軟，越影響口感，硬度正是影響麵條口感的關鍵因素。
意大利語中，義大利麵最理想的口感叫做『al dente』，字面意思是『直至牙齒』，指的就是麵條煮到『內硬外軟』的效果。
為了分析怎麼才能達到『al dente』，研究人員使用了動態力學分析儀測量了麵條的楊氏模量。
楊氏模量的定義是彈性材料所受應力和發生形變的比值。
簡單來說，一根麵條的楊氏模量越大，想要把它拉長需要的力也就越大，麵條越不容易發生形變。
動態力學分析儀測量義大利麵的楊氏模量 | 參考資料[1]
容易想見，煮面的時間越久，麵條吸水變軟，楊氏模量應該會不斷降低，實驗結果也與經驗常識完全相符。
根據楊氏模量的變化趨勢，研究人員將煮面分為三個階段：
第一階段，義大利麵基本保持原先狀態，楊氏模量變化較小；
第二階段，義大利麵從玻璃態轉變為橡膠態，楊氏模量會在短短幾分鐘內迅速下降幾個數量級《通俗地說，義大利麵在這個階段軟的特別快》；
第三階段，楊氏模量緩慢降低，義大利麵最終變成完全煮爛的狀態。
義大利麵的楊氏模量隨時間下降，紅色和黑色分別代表水溫100℃和80℃
曲線為理論預測值，點為實驗測量值 | 參考資料[1]
所以，如果能邊煮面邊測量楊氏模量，就能很方便地在麵條煮爛之前把它撈起來。
對於家裡沒有專業儀器的大家，物理學家也給出了楊氏模量外的替代方案：看義大利麵粘不粘。
在實驗中，將兩根煮過的麵條從水中撈出，可以發現有一段麵條會粘結在一起。
這是因為麵條間有殘餘的水分，形成的彎曲液面在表面張力的作用下連結了兩根麵條。
兩根義大利麵在水的表面張力作用下連結 | 參考資料[1]
研究人員發現，煮面的時間越久，兩根麵條之間粘結的長度就會越長。
煮面的經驗也告訴我們，麵條煮太久就『坨』了，相互粘結在一塊，吃起來都費勁。
在測量了粘結長度隨時間的變化趨勢後，研究者提出了判斷義大利麵口感的『建議』：煮面時可以取出兩根麵條，用尺測量粘結長度，以此判斷有沒有煮到『al dente』的狀態。
煮面的時間越久，兩根麵條之間粘結的長度越長 | 參考資料[1]
研究者還表示，『煮面時間相同，但煮面水裡加鹽量不同』，會影響麵條內部的水分子遷移，從而影響麵條的楊氏模量和口感。
因此，比起『計時煮面的時間』，『用尺子量麵條粘結長度』會是更可靠的方法。
怎麼說呢，這些建議都，未來可期吧……至少我還是寧願用嘴嘗而不是用尺量_(:з」∠)_
義大利麵的奇妙比喻
物理學家對義大利麵的興趣並不止於麵條本身的物理性質，因為義大利麵彎彎曲曲的形狀，物理學家還會把某些物理圖像比喻為義大利麵，讓晦澀難懂的物理概念顯得形象生動。
一顆中等質量恒星在經歷數十億年的演化後，會發生極其劇烈的超新星爆炸，並最終坍縮為中子星。
中子星的質量能達到太陽的數十倍，體積卻被擠壓成隻有一個城市的大小，具有極高的密度。
中子星密度極高，周圍伴有極強的磁場 | Wikimedia Commons
來自伊利諾伊州立大學的助理教授Matthew Caplan 與合作夥伴通過計算機模擬了中子星內部可能的結構圖像，並將這些結構形象地比喻為『核面食』《nuclear pasta》：
泡沫狀分佈結構比作意大利團子，長條狀結構比作義大利麵，有孔的多層平行結構比作華夫餅，沒有孔的比作千層面等等。
這些結構會隨中子星內部壓力變化而相互轉變。
中子星殼層的結構被比作多種義大利麵食 | 參考資料[4]
不僅是中子星，在另一種致密天體——黑洞的研究中也出現了義大利麵的比喻。
物體在強大的非均勻引力場作用下《比如接近黑洞》，形狀會變得非常細長，因為變形後形似義大利麵，所以這一過程被稱為『義大利麵化』《Spaghettification》。
以人體被黑洞吞噬的場景為例，人體的腳離黑洞最近，頭離黑洞最遠，因此腳受到的引力要比頭部受到的更大。
同時，雙臂與人體的頭和腳並不處於同一方向上，受到的引力會將雙臂向中間吸引。
如此一來，身體在垂直方向拉伸、在水平方向壓縮，人體最終就變成了像麵條一樣的細長條。
大家在天文科普中看到宇航員在黑洞附近被拉長的經典圖片，正是人體義大利麵化的假想圖象。
人體被黑洞麵條化的假象場景 | NASA
上至浩瀚宇宙日月星辰，下至鍋碗瓢盆柴米油鹽，能在跨度如此之大的領域中同時發現義大利麵的身影，這就是物理學的趣味和浪漫啊。
參考資料
[1]Hwang J，Ha J，Siu R，et al. Swelling，softening，and elastocapillary adhesion of cooked pasta[J]. Physics of Fluids，2022，34(4): 042105.
[2]Audoly B，Neukirch S. Fragmentation of rods by cascading cracks: Why spaghetti does not break in half[J]. Physical review letters，2005，95(9): 095505.
[3]Heisser R H，Patil V P，Stoop N，et al. Controlling fracture cascades through twisting and quenching[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，2018，115(35): 8665-8670.
[4]Caplan M E，Horowitz C J. Colloquium: Astromaterial science and nuclear pasta[J]. Reviews of Modern Physics，2017，89(4): 041002.
[5]https://mechse.illinois.edu/news/45445
[6]https://publishing.aip.org/publications/latest-content/physics-models-better-define-what-makes-pasta-al-dente/
[7]https://pansci.asia/archives/349236
[8]https://news.mit.edu/2018/mit-mathematicians-solve-age-old-spaghetti-mystery-0813
[9] https://improbable.com/2018/08/13/breakthough-snapping-a-spaghetti-strand-into-2-not-3-pieces/
[10]https://www.livescience.com/63338-spaghetti-snap-machine.html
[11] https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/nuclear-pasta-hardest-known-substance-universe-289729
[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Spaghettification
作者：矩陣星
編輯：Emeria、遊識猷、odette
一個AI
飛天面神盯著這幫物理學家呢，RAmen
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