Física e culinária: o que o espaguete revela sobre o Universo

Por exemplo: quão fino o espaguete pode ser? Um fio individual de espaguete tem entre 1 mm e 2 mm de espessura. Mas outros tipos de macarrão longo variam muito em diâmetro — desde o udon com 4 mm até o cabelo de anjo com 0,8 mm.

Mas, recentemente, uma equipe de pesquisadores da University College London (UCL), no Reino Unido, se perguntou se os equipamentos de laboratório do século 21 poderiam fazer melhor.

Eles usaram uma técnica chamada “eletrofiação”. Primeiro, eles dissolveram a farinha em uma solução especial carregada eletricamente em uma seringa. Em seguida, colocaram a seringa sobre uma placa especial com carga negativa.

“Isso faz a solução fluir pela agulha em direção à placa coletora em um formato de macarrão bastante fibroso”, diz Beatrice Britton, principal autora do estudo.

Quando a solução secou, os pesquisadores ficaram com um emaranhado de fios de espaguete incrivelmente finos.

“A olho nu, tudo o que se vê é uma espécie de folha de lasanha”, diz Britton. Mas um microscópio potente revela um tapete feito de fios tão finos quanto 0,1 mm. Este macarrão também é muito mais rígido do que o espaguete comum.

Britton e seus colegas esperam que sua pesquisa possa ser um passo em busca de alternativas biodegradáveis às “nanofibras” de plástico, que atualmente são usadas para filtrar líquidos e tratar feridas.

O espaguete mais fino do mundo é apenas um exemplo recente de como os físicos parecem não conseguir parar de aplicar suas ferramentas no popular carboidrato.

Em 1949, o físico George F. Carrier, da Universidade Brown, nos EUA, apresentou o “problema do espaguete” na revista científica The American Mathematical Monthly, que ele considerou “de significativo interesse popular e acadêmico”.

Essencialmente, o problema se resume a: “Por que não consigo sugar um fio de espaguete sem sujar meu rosto com o molho”?

As equações dele mostraram como o fio exposto oscila mais à medida que fica cada vez mais curto, garantindo por fim uma batida do macarrão contra o lábio da pessoa que está comendo — e a fatídica erupção de molho que Carrier tanto condenava.

Infelizmente, suas fórmulas matemáticas não ofereciam nenhuma maneira de contornar o problema. Ele está tão profundamente gravado nas leis do Universo quanto o Big Bang.

Mais tarde, dois cientistas inverteram o estudo pioneiro de Carrier, explorando o que acontece quando um objeto fibroso desliza para fora de um buraco, em vez de ser sugado para dentro dele.

Eles chamaram esta versão de “problema do espaguete invertido”, conhecido por qualquer pessoa impaciente que já teve que cuspir a massa por não ter esperado esfriar.

Até o momento, nenhum físico teórico tentou resolver o problema mais complexo de dois cachorros sugando de cada extremidade o mesmo fio de espaguete.

O grande físico americano de meados do século Richard Feynman ajudou a desvendar os enigmas da mecânica quântica, explicando como as partículas elementares que compõem os átomos interagem entre si.

Mas a enorme contribuição de Feynman para a física do espaguete é menos conhecida.

Certa noite, Feynman se perguntou por que era quase impossível quebrar um fio de espaguete seco em dois pedaços, em vez de três. Ele e um colega passaram o resto da noite quebrando espaguete até cobrir o chão da cozinha.

A pergunta de Feynman sobre a física contraintuitiva do espaguete seco gerou um quarto de século de tentativas para explicá-la.

Isso finalmente aconteceu em 2005, quando dois pesquisadores franceses mostraram que o espaguete sempre se quebra em dois pedaços — a princípio.

Mas, após a ruptura, à medida que as duas partes curvadas se endireitam novamente, toda a tensão reprimida é liberada em uma onda de choque, causando mais fragmentação.

Em 2018, uma equipe de cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, na sigla em inglês), nos EUA, descobriu como reprimir a onda de choque — torcendo delicadamente o fio de espaguete antes de quebrá-lo.

Seu método exigiu equipamentos de laboratório, mas produziu de forma confiável um par perfeito de fragmentos.

O trabalho deles proporcionou uma compreensão nova e mais profunda das hastes frágeis que vai além do espaguete; o fenômeno é bem conhecido dos saltadores de vara, por exemplo.

Minha mãe (ítalo-americana) me ensinou a partir um pacote de espaguete seco ao meio antes de colocá-lo na água fervente, para que ele caiba horizontalmente na panela.

Acho que Feynman fez o mesmo, mas isso é uma afronta para muitos dos entusiastas de espaguete ao redor do mundo.

Se você faz parte do último grupo, então você deve colocar o maço de espaguete seco na posição vertical na panela de água fervente, e observá-lo amolecer lentamente, se curvar e submergir.

Este comportamento familiar do espaguete pode não parecer um mistério, mas tente tirar um pedaço de espaguete recém-curvado da panela e deixe-o secar.

Ele vai permanecer curvado, em vez de retornar ao seu comprimento reto original — algo nestes primeiros minutos altera irreversivelmente a composição do espaguete.

Em 2020, dois físicos finalmente explicaram essa transmutação do espaguete.

Ela se deve a uma característica chamada “viscoelasticidade” — um nome para a maneira única como materiais como o espaguete respondem à pressão.

Esta propriedade especial permite que a água flua pelas camadas externas do fio.

A estranha mecânica do espaguete cozido vai ainda mais longe.

Em um estudo, cientistas jogaram os fios no chão e mediram como eles se enrolavam para aprender sobre outros materiais elásticos, desde cordas até filamentos de DNA.

Em outro, físicos amarraram o espaguete com nós, e estudaram que tipos de tensão fariam com que se rompessem.

A física do espaguete vai além do macarrão em si — o molho também tem seus próprios mistérios científicos.

Quando oito físicos italianos se conheceram enquanto faziam pesquisas no exterior, na Alemanha, eles descobriram uma frustração em comum com o prato clássico romano cacio e pepe.

O molho requer pouquíssimos ingredientes — é basicamente uma mistura de água reservada do macarrão e queijo pecorino ralado -—, mas todos eles haviam testemunhado sua inconstância misteriosa.

Muitas vezes, o queijo empelota de forma irreversível, arruinando o molho. Isso é especialmente comum quando se cozinha em grandes quantidades, o que fez com que os físicos hesitassem em convidar seus colegas alemães para jantar.

“Não podemos estragar o cacio e pepe na frente dos alemães”, conta Ivan Di Terlizzi, que estuda física estatística e biológica no Instituto Max Planck para Física de Sistemas Complexos em Dresden, na Alemanha.

Felizmente, entre eles estavam alguns dos maiores especialistas do mundo em física de “separação de fases”, exatamente o tipo de fenômeno que atormentava seus jantares em grupo.

Discutindo sobre a separação de fases do cacio e pepe, eles perceberam que o problema também era desconcertante do ponto de vista científico.

“Na verdade, este é um problema muito interessante”, diz Daniel Maria Busiello, coautor do estudo sobre o cacio e pepe. “Por isso, decidimos projetar um aparato experimental para realmente testar todas essas coisas.”

O “aparato” consistia em uma panela com água aquecida a uma temperatura baixa, um termômetro de cozinha, uma placa de Petri e uma câmera de iPhone acoplada a uma caixa vazia. Eles convidaram vários amigos famintos para o apartamento de Di Terlizzi, e se prepararam para cozinhar cacio e pepe o fim de semana inteiro.

Eles descobriram que o molho “simples” era extremamente complexo.

Quimicamente, trata-se de uma solução à base de água com apenas alguns componentes: amido (da água do macarrão), lipídios (do queijo) e dois tipos de proteína (também do queijo).

Usando o aparato, eles encontraram uma explicação física para os grumos que arruinavam o molho, que eles chamaram de “fase muçarela”.

As proteínas, diferentemente da maioria das moléculas, ficam mais pegajosas quando estão quentes.

Conforme o molho é aquecido, os pesquisadores descobriram que isso faz com que essas proteínas grudem nos lipídios e formem grumos semelhantes à muçarela.

Em um cacio e pepe bem feito, o que evita isso é o amido, que forma uma camada protetora ao redor das moléculas de lipídios para que elas não grudem nas proteínas. Se o molho ficar muito quente, o aumento da aderência das proteínas supera essa barreira.

Depois que eles entenderam a ciência por trás do molho, ficou claro como consertá-lo.

“Se você adicionar amido suficiente acima de um certo limite, não terá esse tipo de estado separado”, diz Di Terlizzi. Em geral, a água do macarrão não contém amido suficiente para garantir esse limite, por isso eles sugerem adicionar uma mistura de amido de milho dissolvido em água.

O grupo decidiu concluir seu artigo com uma receita infalível para o prato clássico.

Mas ao pesquisar a rica literatura científica, eles perceberam que não foram os primeiros a chegar a essa epifania do cacio e pepe.

Em nome da integridade acadêmica, eles citaram um vídeo do YouTube em que o chef romano com estrela Michelin Luciano Monosilio sugere o mesmo ajuste para uma receita infalível — uma pitada de amido de milho.

“Esta é a única referência não científica em nosso artigo”, afirma Di Terlizzi.

A física que eles usaram conecta os grumos do cacio e pepe a ideias sobre a origem da vida na Terra.

Os biofísicos usam a separação de fases para entender como as gotículas de líquido podem se solidificar e se dividir em uma solução.

“Uma gotícula que se divide se parece muito com uma protocélula”, diz Giacomo Bartolucci, outro coautor do estudo.

Alguns acreditam que, dentro das pequenas bolhas que precederam as células reais, os blocos de construção da vida podem ter se unido por meio de um processo muito parecido com a fase da muçarela dos italianos.

As mesmas ideias estão ajudando os biólogos a entender como as placas que causam a doença de Alzheimer se aglutinam no cérebro.

Por que o espaguete é um foco de especulação e estudo tão importante para os físicos?

Para começar, é simples — farinha, água e calor, diz Vishal Patil, um dos descobridores do método de torcer e quebrar, que agora é professor de matemática na Universidade da Califórnia, em San Diego.

O fato de uma combinação de tão poucos componentes levantar tantas questões profundas mostra como a física está por trás de tudo o que eles veem e fazem, afirma Patil.

Isso também mostra que não importa o quanto os físicos investiguem o grande e o pequeno, as respostas ainda podem ser insuficientes para explicar os fenômenos que vemos todos os dias.

Quando se trata de cacio e pepe, todas as ferramentas da física teórica só podem nos dizer o que toda avó italiana sabe: mantenha o fogo baixo quando for preparar a receita. E a eletrofiação em laboratório só consegue obter um espaguete um pouco mais fino do que o que as mulheres de Nuoro, na Itália, fazem diariamente à mão.

“O espaguete é uma coisa muito acessível com a qual se pode brincar”, diz Patil. O baixo custo do macarrão à base de farinha é o que o tornou uma iguaria democrática para tantas culturas ao redor do mundo — o espaguete foi popularizado em Nápoles como comida de rua. É por isso que Feynman não hesitava em quebrar quilos do produto no chão da sua cozinha.

Depois de um longo dia no quadro-negro, estudando a matemática impenetrável da mecânica quântica ou dos buracos negros, as maravilhas mecânicas do espaguete são o alimento perfeito para as investigações dos cientistas na hora da refeição.