Waarom breekt spaghetti niet gewoon in twee?

De meeste mensen staan er nooit bij stil. Sommige fysici wel, want die zien iets wat ze niet verwachten en dan worden ze klaarwakker. Richard Feynman, een van de grootste natuurkundigen was daar een van. Hij is er nooit uitgekomen. Na een avond experimenteren lag de keuken vol stukken pasta, maar wist hij nog niets meer.

Recent raakten ook twee fysici van de Universiteit van Parijs IV geïntrigeerd. Hoe triviaal het probleem ook lijkt, ze pakten het aan op een manier die typisch is aan wetenschap. Om te beginnen hadden ze een vaag idee. Er bestond een formule die het gedrag van dunne staven beschrijft en die sinds een tiental jaren bekend was. Daarmee zouden ze misschien de zeer dynamische toestand van de spaghetto kunnen benaderen. Hun eerste stap was het vereenvoudigen van het probleem. In de plaats van de spaghetto aan twee uiteinden vast te zetten en de spanning langzaam op te drijven tot het breekt, gingen zij uit van een stuk spaghetto dat aan slechts één kant vastzit en waarvan het andere uiteinde wordt opgespannen en losgelaten. De complexiteit van het probleem werd met de helft verminderd, terwijl het natuurkundig gezien hetzelfde probleem was. Ze pasten de vergelijking toe die het gedrag van dunne staven beschrijft om te berekenen welke buigingsspanningen ontstaan in de pasta. Op sommige plekken wordt de pasta zover gebogen dat hij breekt.

Zo kwamen ze tot een hypothese. Iedere keer als een spaghetto gebogen wordt en uiteindelijk breekt, ontstaan golven die zich over de lengte van het overblijvende pasta-eind voortplanten. Volgens de berekeningen van Basile Audoly en Sebastien Neukirch ontstaan er golven in de nog vastgeklemde spaghetto waardoor het nog verder gaat uitwijken. Het gaat zodanig uitwijken dat het breekt, hoewel een van de uiteinden vrij is. Die nieuwe breuken genereren weer nieuwe golven en zo verder. Het resultaat zijn meerdere pastafragmenten.

Hun wiskundige oplossingen toetsten ze aan de werkelijkheid. Zoals alle goede onderzoekers beschreven ze hun proefopstelling en hun materiaal. Ze gebruikten nr. 1 droge pasta uit een pak uit de winkel met een lengte van 22,1 cm. Die werd vastgezet in een klem, vervolgens in een boog opgespannen en dan losgelaten. Dat werd met een hogesnelheidscamera opgenomen aan duizend beelden per seconde. Op de beelden zie je een buigingsgolf van het vrije eind naar het vaste einde bewegen. De pasta breekt exact op de plek waar de berekeningen het voorspelden. Dat experiment werd herhaald.

Elke stuk pasta is anders, hoe gelijkend ze voor het blote oog ook zijn. Er zitten haarfijne breukjes in, minuscule verdikkingen of versmallingen. Je moet de pasta zover mogelijk opspannen zonder dat hij breekt, maar dat is dus anders voor elk stuk. Een ding is duidelijk: hoe verder opgespannen, hoe sneller de pasta breekt nadat hij wordt losgelaten. Dit experiment werd vijfentwintig keer herhaald met steeds andere pastadikten (ook nrs. 5 en 7). Zo konden ze een curve tekenen waarin een verband te zien is tussen de dikte van de pasta, de initiële buigingscurve vóór loslaten en de plekken waar de pasta breekt.

De conclusie was duidelijk: in tegenstelling tot wat men dacht, namelijk dat het vrijlaten van spanning leidt tot minder schade, is precies het tegenovergestelde het geval. Audoly en Neukirch publiceerden hun bevindingen, zoals dat hoort in de wetenschap: Fragmentation of brittle rods: why spaghetti do not break in half, B. Audoly en S. Neukirch in de Physical Review Letters.

De breukpatronen in spaghetti lijken misschien een triviaal onderzoeksonderwerp en toch is dit onderzoek niet zinloos. De dunne stalen balken waarmee bruggen en wolkenkrabbers gebouwd worden, gehoorzamen aan dezelfde fysische wetten als droge pastabuisjes. Zij zijn aan dezelfde krachten onderhevig en het is niet slecht die te kennen zodat we ze (beter) kunnen beheersen. Pasta alla mathematica is geen frivole bezigheid en beantwoordt aan de regels van het spel dat we wetenschap noemen: helderheid, reproduceerbaarheid, openheid, strengheid. Gecombineerd in een cocktail van nieuwsgierigheid, verwondering, speelsheid en creativiteit. Een hypothese wordt getoetst aan de werkelijkheid binnen een kader van beproefde kennis.

Wetenschap is dus niets uitzonderlijks. Het is de gesystematiseerde manier om te begrijpen hoe de wereld werkt. In die systematische aanpak zitten methoden zoals: niet afgaan op eenmalige gebeurtenissen, proberen de rol van het toeval uit te sluiten, omzeilen van de vertekeningen van de menselijke waarneming of het menselijke geheugen.

Die criteria leiden tot betrouwbaarheid en vormen zo de kenmerken waaraan men wetenschap kan herkennen en waarmee men haar kan onderscheiden van niet-wetenschap of van namaakwetenschap. Wetenschappelijke beweringen zijn experimenteel te verifiëren. Zo kan iemand anders het onderzoek of het experiment overdoen om te zien of de bevindingen overeind blijven. Een bevinding die keer op keer gereproduceerd wordt, is betrouwbaarder. De bevindingen zijn ook communiceerbaar: wat aan anderen niet duidelijk gemaakt kan worden is ofwel onbegrijpelijk, of misschien wel fout of onzinnig. De beweringen zijn liefst ook falsifieerbaar. Als iets niet te onderzoeken of niet te verwerpen is, kom je algauw bij nietszeggende uitspraken. Bovendien is het geheel van de beweringen of bevindingen samenhangend, zowel intern niet tegenstrijdig als coherent met bestaande betrouwbare kennis.

Het zijn afwegingen die we in het dagelijkse leven voortdurend maken, beoordelend op wat we horen of lezen, of wat beweerd wordt en door wie, wel kan kloppen. In dat opzicht is de wetenschap slechts een systematische, georganiseerde en geïnstitutionaliseerde variant op de dagelijkse vraag naar betrouwbare kennis.

De weg naar betrouwbare kennis zit vol valkuilen. Sommige daarvan zijn van ver herkenbaar, andere openen zich plots als verdwijngaten onder je voeten. Soms houdt de weg op en moet je een nieuw pad banen door het struikgewas, dan weer lijkt het pad overduidelijk, maar loopt het na verloop van tijd dood. De weg van het weten is moeilijk en onvoorspelbaar en onderweg kun je gemakkelijk verdwalen, misleid door verlokkelijke vergezichten. De wetenschap weet uiteindelijk niet waar ze naar op weg is, maar dat is niet erg. Het onbekende is voedsel voor de nieuwsgierigheid en de betrouwbare kennis die we onderweg opdoen, vormt het landhoofd naar het volgende inzicht.