如果您有時以一杯泡沫豐富的卡布奇諾咖啡開始您的早晨,並以一杯令人陶醉的啤酒結束夜晚,那麼您的一天以一種最具有科學趣味的食物之一開始和結束:食用泡沫。這些相互鎖定的氣泡中蘊藏著深刻的數學奧秘,最近它們也成為烹飪創新的最肥沃領域之一。
西班牙加泰羅尼亞 elBulli 餐廳的頂級廚師費蘭·阿德里亞 (Ferran Adrià) 在 1990 年代中期開始嘗試烹飪泡沫,以尋求為食客呈現新的和意想不到的烹飪體驗。阿德里亞使用了明膠或卵磷脂等非常規發泡劑,而不是雞蛋或奶油。他使用由加壓一氧化二氮驅動的虹吸槍——很像罐裝 Reddi-wip,但更堅固——從鱈魚、鵝肝、蘑菇和土豆等多種食物中創造出輕盈的泡沫。這引發了一場泡沫革命,廚師們,其中包括英國佈雷的赫斯頓·布盧門撒爾 (Heston Blumenthal)、紐約市的懷利·杜弗雷斯 (Wylie Dufresne) 和芝加哥的格蘭特·阿查茨 (Grant Achatz),都開始對各種美味食物進行發泡。
這些菜餚具有神秘的光環,不僅僅是因為它們新穎的質地。雖然泡沫可能看起來像隨機的雜亂物,但所有泡沫中的氣泡似乎都會自組織以遵守比利時物理學家約瑟夫·普拉託 (Joseph Plateau) 在 1873 年首次觀察到的三個通用規則。這些規則描述起來很簡單,但解釋起來卻非常困難。第一個規則是,每當氣泡連線時,每條邊都有三個膜表面相交。不是兩個;永遠不是四個——總是三個。其次,每對相交的膜一旦穩定下來,就會形成完全 120 度的角。最後,無論邊在哪個點相遇,邊的數量始終正好是四個,並且角度始終是 –1/3 的反餘弦(大約 109.5 度)。
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直到一個世紀後的 1976 年,羅格斯大學數學家瓊·泰勒 (Jean Taylor) 才證明,至少在兩個連線氣泡的情況下,普拉託規則源於表面張力的作用,表面張力迫使氣泡採用最穩定的構型。數學家仍在嘗試準確確定三個或更多氣泡的泡沫中會發生什麼,以及泡沫中氣泡形狀的哪種排列方式可以在使用最少表面積(從而消耗最少能量)的情況下填充容器這一尚未解決的問題。 1887 年,開爾文勳爵提出,由十四面體組成的蜂窩結構(每個十四面體具有六個正方形面和八個六邊形面)是答案。但在 1994 年,都柏林聖三一學院的物理學家丹尼斯·韋爾 (Dennis Weaire) 和羅伯特·費倫 (Robert Phelan) 發表了一個更好(儘管不一定是最佳)的解決方案:由兩種細胞組成的泡沫,一種僅由 12 個五邊形構成,另一種由兩個六邊形和 10 個五邊形構成。
在泡沫食品中,不遵循普拉託規則的氣泡會很快破裂。太小的氣泡也會發生同樣的命運:表面張力會使氣泡內部的壓力升高到超過破裂點。這就是液體泡沫隨著時間推移會變得粗糙的原因之一——以及為什麼最好在卡布奇諾咖啡新鮮時飲用。