圖片來(lái)源：A?DA AMER

費(fèi)曼曾經(jīng)在大晚上，不干別的，專(zhuān)門(mén)折意大利面，試圖尋找無(wú)法將意大利面折成兩段的原因。在一本關(guān)于費(fèi)曼的傳記中，Daniel Hillis這樣形容他跟費(fèi)曼一起進(jìn)行的“意大利面實(shí)驗(yàn)”：

在折意大利面的時(shí)候，它們總是會(huì)變成三段。為什么會(huì)變成三段？我們花費(fèi)了兩個(gè)小時(shí)，提出了一些瘋狂的理論。然后，我們想了一些實(shí)驗(yàn)方法，比如在水下折意面，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為這樣可以抑制震動(dòng)。我們?cè)趶N房花費(fèi)了十幾個(gè)小時(shí)來(lái)弄斷意面，但是并沒(méi)有得到任何好的理論。

意大利面的斷裂方式難倒了著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（來(lái)源：caltech）

2005年，法國(guó)的物理學(xué)家找到了一個(gè)理論，用來(lái)描述意大利面，或者說(shuō)任何細(xì)長(zhǎng)的條狀物體彎折時(shí)，究竟發(fā)生了什么。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這個(gè)條狀物體從兩端均勻彎折的時(shí)候，它會(huì)在接近中間的部分?jǐn)嗔�。這個(gè)初始的斷裂會(huì)引發(fā)一種“回彈”效應(yīng)以及一種彎曲波或者震動(dòng)，進(jìn)一步破壞了這一物體，使其進(jìn)一步斷裂。這就是為什么在折意大利面時(shí)，它總是被分裂為三段或者更多，而偏偏無(wú)法被分成兩段。

法國(guó)物理學(xué)家的這一理論獲得了2006年的搞笑諾貝爾獎(jiǎng)，看起來(lái)它確實(shí)解釋了費(fèi)曼沒(méi)有解決的謎題。但是問(wèn)題是，究竟有沒(méi)有辦法將意大利面折成兩段呢？

麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家們，打算進(jìn)一步解開(kāi)謎題。近日，他們?cè)凇睹绹?guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表文章，提出了能夠?qū)⒁獯罄�面折成兩段的方法，而其中的關(guān)鍵是——扭曲。完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的是Ronald Heisser和Vishal Patil，通訊作者為MIT的數(shù)學(xué)講師Norbert Stoop。

如何將意大利面折成兩段？

Hesisser想到要挑戰(zhàn)意大利面問(wèn)題，是在2015年的春天，他希望將此作為“非線性動(dòng)力學(xué)”課程的一個(gè)項(xiàng)目。他和他的合作者了解了費(fèi)曼的廚房實(shí)驗(yàn)，他們不僅開(kāi)始考慮意大利面是否能折成兩半，而且還在思考這個(gè)過(guò)程是否能夠被控制。

據(jù)當(dāng)時(shí)教授此門(mén)課程的老師說(shuō)，他們一開(kāi)始做了很多次手工實(shí)驗(yàn)，并且提出了一個(gè)想法——當(dāng)他們盡量扭曲意大利面，并且將兩段對(duì)折的時(shí)候，貌似就能把它折成兩半。但是這需要相當(dāng)強(qiáng)的扭曲力，他們希望能夠進(jìn)行更深入的研究。

為此，Heisser特別制作了一個(gè)機(jī)械斷裂裝置，用來(lái)彎折和扭曲意大利面�？雌饋�(lái)，他們的實(shí)驗(yàn)比當(dāng)年費(fèi)曼的手工實(shí)驗(yàn)更成熟了。

圖片來(lái)源：MIT

他們用這個(gè)機(jī)械裝置測(cè)試了幾百根意大利面，并用攝像機(jī)以每秒一百萬(wàn)幀的速度，記錄下了整個(gè)斷裂的過(guò)程。

最后，他們發(fā)現(xiàn)，如果首先將意大利面扭曲接近360度，然后緩慢彎折，它就可以斷裂成兩段。在他們使用的兩種直徑略有不同的意大利面上，結(jié)論都是一致的。

正常彎折意大利面時(shí)，意面的折斷與受力情況（上圖）與扭轉(zhuǎn)意面時(shí)的情形（下圖）對(duì)比。（圖片來(lái)源：MIT）

從實(shí)驗(yàn)到理論

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，研究人員又開(kāi)發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，用以解釋扭曲到什么程度才能將意大利面折成兩半。他們總結(jié)了過(guò)去法國(guó)科學(xué)家的理論，并將“扭曲”的要素加入進(jìn)去，看扭曲如何影響意大利面彎曲時(shí)力和波的傳導(dǎo)。通過(guò)數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)，如果一根10英寸（合25.4厘米）長(zhǎng)的意大利面首先被扭曲270度，然后再?gòu)澱郏�它將斷裂成兩段，有兩種效應(yīng)可以對(duì)此做以解釋。一種效應(yīng)是“回彈效應(yīng)”（snap-back effect），由于扭曲的作用，彎折時(shí)向反方向回彈的作用降低了；另一種效應(yīng)是“反扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”（twist-back effect），當(dāng)扭轉(zhuǎn)時(shí)，意大利面希望回到原先拉直的狀態(tài)，這釋放了一部分的能量，阻止了進(jìn)一步的斷裂。

當(dāng)彎折意大利面時(shí)，回彈效應(yīng)使得意大利面往復(fù)震動(dòng)，產(chǎn)生了一種彎曲波；而扭轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生一種“扭轉(zhuǎn)波”�！芭まD(zhuǎn)波”比“回彈波”的傳播速度快，耗散了能量，從而不會(huì)發(fā)生可能導(dǎo)致后續(xù)斷裂的應(yīng)力累積。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)一根意大利面何時(shí)會(huì)斷成兩段的理論與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相符。

“我們的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果推動(dòng)了對(duì)扭轉(zhuǎn)如何影響斷裂的理解�！北疚淖髡咧�一，MIT數(shù)學(xué)系副教授J?rn Dunkel說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)和理論模型解釋了意大利面斷裂的規(guī)律，那么其他面食呢？比如中國(guó)的掛面，是否也符合意大利面的規(guī)律？筆者嘗試了中式掛面，很容易就可以將其折為兩段，呈現(xiàn)出與意大利面不同的規(guī)律。