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科学家破解"宇宙级难题":如何对半折断生意大利面条?

科技资讯  2018年9月13日 09:40  来源:新浪科技
摘要:在学习物理学时,你总会遇到宇宙中一些更大的谜题:大爆炸之前发生了什么?黑洞里面有什么?以及,有没有可能将一根干意大利面条等分成两半?

  在学习物理学时,你总会遇到宇宙中一些更大的谜题:大爆炸之前发生了什么?黑洞里面有什么?以及,有没有可能将一根干意大利面条等分成两半?

  或许你在厨房里就曾问过最后一个问题。当你尝试把生意大利面条折成两段时,为什么几乎总是会折成三段或更多段意大利面碎片?这是一个违反逻辑的现象,几十年来一直令厨师和学者们感到费解。甚至还有传说称,在二战期间帮助开发原子弹的诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼(Richard Feynman)曾经花了大半个晚上的时间,在厨房里不断地折断意大利面,为这个问题寻找答案。

  费曼最终并没有得到想要的解释,但就在不久前(8月13日),一篇发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)的论文为这个问题画上了句号。利用一系列数学模型和一个“折意大利面机器人”,麻省理工学院的研究人员发现,将一根生意大利面条折成两段是可能的,但是要先扭转一下。为了避免面条断裂成许多碎片,其中一端必须扭转将近360度。

  研究共同作者、麻省理工学院物理应用数学助理教授Jrn Dunkel称,如果用更技术化的用语来说,这些“结果促进了对扭曲如何影响断裂级联的认识”。“无论如何,这是一个有趣的跨学科项目,由两位才华横溢且很有耐心的学生完成,他们或许在一段时间内都不想再折断或品尝意大利面了。”

  在这项新研究中,麻省理工学院的研究人员折断了超过350根百味来(Barilla)品牌的意大利面,并用超高速摄像机将所有折断过程拍摄了下来。为了让面条实验更为精确,研究第一作者、康奈尔大学的研究生罗纳德·海瑟(Ronald Heisser)建造了一台特制的意大利面条弯折机,配有两个铝制钳子,用来夹住面条两端。每次试验中,一根意大利面条被放入弯折机中,扭转至一定角度,然后向上弯曲直至折断。

  在数百根意大利面条被折断之后,研究人员发现,他们终于可以将一根面条折成两段,前提是将面条扭曲至少250度,然后缓慢弯曲至断裂。研究人员称,使用两种意大利面(百味来5号和百味来7号,二者的直径略有不同)进行实验的结果是一致的,而且与实验开始前研究团队运行的一系列意大利面弯曲模型相吻合。

  那么,为什么扭转如此重要?研究人员称,扭转可以“使面条以不止一种模式来储存能量”。请思考一下,当一根没有扭转的面条断裂成两段时,每一段都会随着动能的释放而向后弹起。2005年的一项研究发现,这种反弹会释放出一股强大的能量波,使面条的其他受压部分也突然断裂(这项研究获得了2006年的搞笑诺贝尔奖)。事实上,这种现象并不但仅出现于干面条,许多细杆状的结构(包括奥运会撑杆跳高项目所用的撑杆)都会如此。

  麻省理工学院的研究人员写道,在扭转的面条中,大部分的回弹波被转移到随面条展开而释放的“扭转波”中。所以,向后反弹的力量会减弱,从而不容易发生更多的断裂。

  “(面条)一旦断裂,依然会出现反弹,因为杆要变直,”Dunkel说,“它同样也不想被扭转。”所以,可以肯定的是:将生意大利面条等分折为两段是可能的。费曼应该可以满意了。虽然这一发现无法与原子弹相比,但可以帮助未来的研究人员更好地了解断裂的机制,甚至帮助设计抗断裂的纳米材料。至于这些发现是否适用于其他类型的面条,还需要进一步的研究。(任天)