Welches ist das größte ungelöste Problem der Physik? Klarer Fall: das Spaghettirätsel! Das gab der Physik-Nobelpreisträger Pierre-Gilles de Gennes zur Antwort, als er nach der härtesten Nuss seiner Disziplin gefragt wurde. Die Aussage des Franzosen stammt aus dem Jahr 1991, und damals brütete die Wissenschaft bereits ein Vierteljahrhundert über dem Problem.
Aufs Tapet gebracht hatte es der legendäre amerikanische Physiker Richard Feynman, ebenfalls Nobelpreisträger und passionierter Wissenschaftserklärer. Feynman besaß die Gabe, komplexe Sachverhalte anschaulich und mit einer satten Prise Humor zu servieren. Als er und ein Freund 1965 Spaghetti kochten, fiel ihnen ein Phänomen auf, das sie nicht verstanden: Wenn man eine Handvoll trockener Nudeln zerbricht, dann brechen sie niemals in nur zwei Teile. Es entstehen stets mindestens drei Bruchstellen. Aber warum?
Die Nudeln brechen nie an nur zwei Stellen, sondern mindestens an drei. Physiker fanden heraus, worauf das Phänomen beruht.
Das Rätsel beschäftigte ehrgeizige Physikstudenten ebenso wie gestandene Experten des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Die Lösung gelang erst vor 20 Jahren. Sie lautet: Es liegt am „Snap-Back-Effekt“. Biegt man ein Bündel Spaghetti, wird die Belastung zunächst in der Mitte am stärksten, wo die Biegespannung besonders hoch ist. Im Moment des Bruches entstehen heftige Schwingungen, die blitzschnell durch die steifen Teigstäbe laufen. Dies ist der Snap-Back-Effekt. Und die Vibrationen verursachen fast augenblicklich weitere Brüche an anderen Stellen.
Das Spaghettirätsel mag der bekannteste Beleg für die erstaunliche Tatsache sein, dass Pasta und Physik ein harmonisches Paar abgeben können. Doch es existiert eine Vielzahl weiterer Beispiele, die zeigen: Die Nudel und die ihr innewohnenden Geheimnisse motivieren Naturwissenschafter immer wieder zu bemerkenswerten Experimenten. So untersuchten Studien das Aufquellen von Pasta im Kochwasser oder gingen streng methodisch der Frage nach, wann Nudeln wirklich als „al dente“ gelten dürfen.
Die Nanostruktur der Nudeln
Einen aktuellen Beitrag zum Thema Pasta-Physik veröffentlichte gerade „Spektrum der Wissenschaft“. Auf Basis von Experimenten aus dem Vorjahr erörterte das deutsche Wissenschaftsmagazin, warum Wissenschafter Nudeln im Teilchenbeschleuniger studierten und mit Röntgenstrahlen beschossen. Die wesentlichen Zielsetzungen der technologisch aufwendigen Pastaforschung: die Veränderungen der Nanostrukturen im Inneren von Spaghetti während des Kochprozesses, die Bedeutung des Salzgehalts im Kochwasser sowie die Bestimmung unterschiedlicher Eigenschaften von glutenhaltiger und glutenfreier Pasta.
Was ist Pasta aus Sicht der Wissenschaft? Die Teigwaren bestehen vor allem aus Stärke und Gluten, dem Klebereiweiß. In trockenen Spaghetti besitzt Stärke die Gestalt von Körnern, von harten, teils kristallinen und hochgeordneten Festkörpern. Die Körner fügen sich in ein Netzwerk von Gluten-Proteinen ein, von Eiweißstoffen, die aus aneinandergereihten Aminosäuren bestehen. Aus Perspektive der Physik ist die trockene Nudel eigentlich eine Form von Glas: Es handelt sich um eine zum Festkörper erstarrte Masse.
Gluten und Stärke ergeben im trockenen Zustand einen Festkörper.
Gerät die Nudel in Kontakt mit heißem Wasser, verändert sich zunächst die Gluten-Struktur: Die Proteinfäden weichen auf, die Pasta wird elastisch. In den festen Stärkekörnern bewirkt das Kochwasser ein Schmelzen des kristallinen Anteils. Die Körner nehmen Wasser auf und geben zugleich Stärke ins Kochwasser ab. Sie schwellen an und verkleistern. Kochprofis wissen: Nun ist präzises Timing essenziell: raus mit den Spaghetti aus dem Wasser, bevor sie zu Pampe verklumpen. Physikalisch betrachtet heißt dies: Im Inneren der Nudel müssen die Stärkekörner kristallin bleiben, nur dann ist der Zustand al dente gewährleistet.
Glutenfrei, streng physikalisch
Wie aber verhält sich die Sache bei glutenfreier Pasta, wenn man also für Menschen kocht, die das Klebereiweiß nicht vertragen oder an Zöliakie leiden? Dieser Frage gingen Forschende mittels Röntgenbeugung sowie mithilfe des Teilchenbeschleunigers nach – beides Methoden, um Festkörper im Detail zu studieren und die Kristallinität zu ermitteln. Das Ergebnis, kompakt dargestellt: Das Eiweißnetzwerk aus Gluten-Proteinen schützt die Stärkekörner klassischer Spaghetti bis zu einem gewissen Grad vor dem Eindringen von Kochwasser und erhält deren Bissfestigkeit. Glutenfreie Pasta verkocht dagegen eher und schneller.
Das heiße allerdings keineswegs, dass glutenfreie Pasta unweigerlich zu gummiartiger Pampe führe, so die Autoren. Doch müsse man sorgfältiger auf die optimale Kochzeit achten und außerdem darauf, ausgiebig zu salzen. Potenziellen Nörglern, die vielleicht meinen, man könne kostspielige Teilchenbeschleuniger sinnvoller einsetzen als zur Untersuchung von Nudeln, richten die Forschenden aus: Die Experimente könnten durchaus auch dazu beitragen, künftig verbesserte glutenfreie Produkte zu entwickeln.
Eine andere Pasta-Studie ging im Herbst des Vorjahres um die Welt und sorgte für Schlagzeilen in internationalen Medien. Mitglied des Forschungsteams war auch der aus Italien stammende Physiker Fabrizio Olmeda, der am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg forscht.
Der Physiker forscht am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Für seine Pasta-Experimente erhielt er im Vorjahr einen Ig-Nobelpreis.
Olmeda wurde flugs bekannt, weil er für seine Pasta-Forschung einen Nobelpreis erhielt – wenn auch nicht den echten. Stattdessen bekam er einen Ig-Nobelpreis, der alljährlich für Forschungen vergeben wird, die zuerst zum Lachen, dann aber zum Nachdenken anregen. (Heuer, im 35. Jahr des Bestehens, wird die Ig-Nobel-Zeremonie erstmals nicht in Harvard abgehalten, sondern übersiedelt wegen der erratischen Wissenschaftspolitik der Trump-Administration in die Schweiz.)
Die Studie, an der Olmeda beteiligt war, trug den Titel „Phase behavior of Cacio and Pepe sauce“, und tatsächlich ging es um die physikalisch optimierte Zubereitung einer Pasta-Sauce. Bei Cacio e pepe handelt es sich um ein traditionelles Gericht, für das man neben Pasta lediglich Pecorino, Pfeffer und stärkehaltiges Wasser benötigt. Und doch kann es gründlich schiefgehen, wie Olmeda aus eigener Erfahrung weiß: So wie viele Kollegen habe auch er das Gericht häufig ruiniert, weshalb die Idee entstand, einen „wissenschaftlichen Artikel zu verfassen, der die Zubereitung eines der berühmtesten römischen Gerichte mit Physik verbindet“.
Klumpen-Risiko
Die größte Hürde bei Cacio e pepe ist die Anfertigung der Sauce, die durch das Verrühren von stärkehaltigem Kochwasser mit Pecorino entsteht. Stimmen Wassertemperatur und das Verhältnis der Zutaten zueinander nicht exakt, erhält man statt einer geschmeidigen Sauce hässliche Käseklumpen, was als die Mozzarella-Phase berüchtigt ist.
Da musste die Physik helfen: Das Forschungsteam definierte Parameter, erstellte Modelle, ersann Experimente. Die zentralen Faktoren, deren Einfluss es zu prüfen galt, waren Stärke, Wasser, Käseprotein, Temperatur. „Unser Ziel war es, systematisch die Struktur der Sauce zu studieren, indem wir die Menge von Käse, Wasser und Stärke variieren“, sagt Olmeda.
Resultat: Entscheidend ist das perfekte Verhältnis von Stärke zu Käse. Optimal seien, so die Erkenntnis der Physik, zwei bis drei Prozent Stärke, gemessen an der Pecorino-Masse. Wer diese Menge nicht dank jahrelanger Routine intuitiv korrekt abschätzen kann, hat die Möglichkeit, Stärkepulver zu benutzen: vier Gramm Pulver in 40 Gramm Wasser, vermischt anschließend mit 160 Gramm Pecorino.
Physiker führten genau durchdachte Experimente durch, um die beste Rezeptur zu finden.
Wer nun findet, die Verwendung von Stärkepulver in der italienischen Küche grenze an ein Strafdelikt, kennt wahrscheinlich die Idee von Giorgio Parisi zur Pastazubereitung nicht. Dabei ist sein Kochkonzept ein schönes Beispiel dafür, wie nüchterne Physik die Emotionen in Wallung bringen kann, wenn es um den artgerechten Umgang mit Nudeln geht.
Parisi, ebenfalls ein Physik-Nobelpreisträger mit Spezialgebiet Strömungsdynamik, äußerte 2023 einen Vorschlag zum energiesparenden Spaghettikochen: Zur Halbzeit der auf der Packung vermerkten Kochdauer schalte man den Herd ab, die Restwärme im Kochwasser genüge zur Zubereitung.
Mehr brauchte Parisi nicht. Amateur- wie auch Profiköche fielen in Debatten über Parisi her und schimpften, die Methode sei keinesfalls zulässig, denn die perfekte Nudel könne nur in sprudelnd kochendem Wasser garen. Kaum auszudenken, was die strengen Hüter der Pastakultur zu einem alternativen Vorschlag britischer Physiker gesagt hätten, der ebenfalls die Senkung des Energieverbrauchs bezweckte: Nudeln zuerst in kaltem Wasser einweichen, dann nur noch für ein, zwei Minuten in siedendem Wasser fertig kochen.
Schaumblasen-Wissenschaft
Wenig Widerspruch ist indes zu erwarten, wenn die Physik häufige Missgeschicke in der Küche wissenschaftlich erklärt. Ein Klassiker: Kurz nicht aufgepasst, und schon brodelt es gewaltig im Nudeltopf, ein Meer aus Schaumblasen stemmt den Deckel empor und überflutet den Herd. Aber warum bloß?
Die Antwort lieferte kürzlich auch in diesem Fall „Spektrum der Wissenschaft“. Bildet reines Wasser Blasen, sind diese dünn und zerbrechlich. Löst sich hingegen beim Kochen Stärke aus Nudeln, formen sich stabilere Blasen. Bei geschlossenem Deckel herrscht im Topf eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre, welche die Blasen elastisch und stabil hält. Entsteht nun immer mehr Dampf, drängt der Schaum aus relativ soliden Blasen nach oben, hebt den Deckel und versaut den Herd.
Der Schaum kollabiert jedoch fast augenblicklich, wenn man den Deckel anhebt. Weshalb? Weil nun die zuvor abgeschottete Innenwelt des Topfes mit der kühleren und trockeneren Umgebungsluft in Kontakt gerät und die Oberflächenspannung der Blasen davon stark beeinflusst wird. Die Folge: Sie bersten. Ein klein wenig lässt sich dieser Effekt auch erzielen, wenn man während des Kochens einen Holzkochlöffel über den Topf legt, erklärt „Spektrum“. Denn dieser ist kühler und trockener als der Schaum im Topf und entzieht den Blasenwänden Feuchtigkeit.
Warum brodeln beim Kochen so schnell Schaumblasen über den Topfrand? Auch diese Frage ist wissenschaftlich geklärt.
Wenn seriöse Forschende Spaghetti studieren, kommt rasch der Einwand: Haben die denn nichts Besseres zu tun? Und ist das nicht Verschwendung von Steuergeld, besonders wenn dabei teure Apparaturen laufen?
Ist es nicht, denn die Wissenschaftsgeschichte ist voller Beispiele, die zeigen, wie scheinbar sinnlose Spaßforschung, oft als „Silly Science“ bezeichnet, längerfristig zu wichtigen Erkenntnissen und praktischen Anwendungen führte – die sich eben nicht planen lassen, sondern sich am ehesten beim lustvollen Experimentieren ohne konkretes Ziel einstellen.
Ein Beispiel aus der Nudelforschung erschien im Vorjahr im Journal „Physics of Fluids“. Anlass war die Beobachtung dreier Physiker, denen bei der Zubereitung des Abendessens aufgefallen war, dass sich nach dem Spaghettikochen oft Salzringe am Boden des Topfes bilden. Natürlich wollten sie sofort wissen, wie diese Muster zustande kommen. Und natürlich starteten sie umgehend Experimente mit verschiedenen Mengen Nudelwasser, in das sie variierende Dosen Salz streuten.
Ergebnis: Salzpartikel erzeugen, wenn sie im Wasser mit der Schwerkraft zu Boden sinken, kleine Strömungen, die sich auf das umgebende Wasser auswirken. Dies wirkt sich auf weitere Salzkörner aus, und der so entstehende Strömungsfluss hinterlässt schließlich ringförmige Ablagerungen am Boden des Kochtopfs.
Sinnvoll wie Sex
Kann dieses Wissen nützlich sein? Ja, sagen die Forschenden. Die physikalische Vermessung des Effekts könnte künftig helfen, kontaminierte Abfälle am Grund von Flüssen oder Meeren aufzuspüren.
Freilich münden Pasta-Experimente längst nicht immer in praktischen Anwendungen, was aber auch kein Malheur ist. Oder wie es Richard Feynman einst ausdrückte: Wissenschaft sei wie Sex. Manchmal komme etwas Sinnvolles dabei heraus, doch das sei nicht der Grund, ihn zu praktizieren.
