Het raadsel van de spaghetti

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. Een bak spaghetti volstaat om een van de oude raadsels uit de natuurkunde te bestuderen.

Neem één sliert ongekookte spaghetti en buig de uiteinden langzaam naar elkaar, tot de pasta breekt. Zoek nu de stukken van de keukenvloer. Als je het goed deed, is de spaghetti niet keurig doormidden geknakt maar is hij in drie of vier stukken gebroken.
Waarom breekt spaghetti niet netjes in tweeën? Een van de grootste wetenschappers aller tijden, fysicus Richard Feynman, grondlegger van de kwantumelektrodynamica en getalenteerd bongospeler, heeft zich al eens over dit probleem gebogen. In de biografie No Ordinary Genius vertelt een van zijn vrienden hoe hij samen met de natuurkundige ooit een avond lang spaghetti stond te breken. “Na een paar uur lag de keuken vol pasta maar hadden we nog steeds geen goede theorie waarom spaghetti in drieën breekt.” Het schijnt dat Feynman zijn bezoekers vaker bezighield met een avondlange pastabreeksessie. De Nobelprijswinnaar was naarstig op zoek naar een oplossing voor het vraagstuk.

Over Feynman doen veel anekdotes de ronde. In de oorlogsjaren werkte hij aan het Manhattan Project in Los Alamos, de bouw van de Amerikaanse atoombom. Uit verveling leerde hij zichzelf sloten kraken om te neuzen in archiefkasten met geheime stukken. Op zeker moment raadde hij dat collega’s mogelijk de cijfercombinatie 271828 (naar het natuurlijke logaritme e = 2,71828 etc.) gebruikten voor cijfersloten. Het bleek dat de combinatie toegang gaf tot niet minder dan drie archiefkasten. Daar liet hij mysterieuze briefjes achter die leidden tot de vrees dat er een spion rondliep in Los Alamos.

Tijdens zijn periode als professor aan het California Institute of Technology (Caltech) gebruikte hij een toplessbar als kantoor. Berekeningen werden ter plaatse uitgewerkt op papieren tafelkleedjes. Toen de autoriteiten de bar wilden sluiten, was hij de enige van de reguliere bezoekers die in de rechtszaal wilde getuigen. Hij verklaarde dat de bar een “noodzakelijke publieke voorziening” was die werd gefrequenteerd door “handwerkslieden, technici, ingenieurs, arbeiders en een hoogleraar natuurkunde”.

Maar hoe zit het nou met die spaghetti? Dat raadsel werd pas in 2005 opgelost door de natuurkundigen Basile Audoly en Sebastien Neukirch. Na breekproeven met deegwaar van verschillende lengte en dikte ontdekten zij dat elastische golven in de pasta de breuken kunnen verklaren. Het komt erop neer dat je de spaghetti buigt tot de eerste breuk. Die eerste breuk veroorzaakt een snelle schokgolf door de twee helften waardoor de sliert terugbuigt tot voorbij de rustpositie. De spaghetti, verzwakt door de eerste buiging, breekt opnieuw. Die tweede breuk kan eenzelfde reactie veroorzaken waardoor de pastasliert opnieuw veert en er een volgend, kleiner stuk afbreekt.

Als je de gebroken pasta bekijkt, zie je dat de breukvlakken in tegengestelde richting tot elkaar liggen. Als in het middelste, kleinste stuk de eerste breuk van rechtsboven naar linksonder loopt, gaat de tweede van linksboven naar rechtsonder. Je kunt dit duidelijker zien als je voor de proef de sliert langs een kant kleurt met watervaste stift.
De verklaring van Feynmans spaghettiraadsel bezorgde Audoly en Neukirch in 2006 de Ig Nobelprijs voor natuurkunde, een wetenschapsprijs toegekend voor mal, onzinnig of grappig onderzoek. In het Boem-lab zijn we niet helemaal tevreden. Ondanks alle mooie theorie brak de helft van de pasta gewoon in tweeën. Als iemand daarvoor een verklaring heeft, horen we het graag.

Auteur: Ernst Arbouw