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软物质和液体

软物质和液体

礼貌:The Cooking Lab LLC
05 Oct 2017 罗伯特·P·折痕
摘自《物理世界》 2017年10月号

内森·迈尔沃尔德(Nathan Myhrvold)是一位高分子物理学家,他的热情从宇宙学到烹饪都一应俱全。本月,他将出版一本五卷本的大卷书,内容涉及面包和制面包的科学。 罗伯特·P·折痕 在他位于西雅图的烹饪实验室总部赶上了这个知识丰富的现场直播

放下手,这是我见过的最具戏剧性的枝形吊灯。

我站在美国西雅图贝尔维尤郊区一栋普通建筑的门厅里,该办公楼是Intelligent Ventures(一家开发和许可知识产权的公司)的所在地。悬挂在我上方的是一个普通的铜箍,直径约一米,靠近一根与特斯拉线圈相连的小杆。该公司创始人兼首席执行官内森·迈尔沃尔德(Nathan Myhrvold)做出了选择。杆身发出蓝黄相间的弧光,crack啪作响,嗡嗡作响。

但是,我不是来参加这场小型闪电风暴的,尽管确实如此。我也没有看到Myhrvold在建筑物周围散布的科学热情的任何其他展览,其中包括古董气压计,土星运载火箭的一部分和巴贝奇机器的复制品。我还只是粗略地瞥了一眼闪闪发光的三层楼的Van de Graaff发电机,该发电机站在外面。我什至不在这里讨论知识产权。

取而代之的是,我来问Myhrvold关于面包制作的物理原理,他是面包制作的权威。这位58岁的物理学家,微软前首席技术官一直对食品科学感兴趣。 2011年,他发表了 现代主义美食,一本书共6卷,占地2438页,重达23.7 2kg, 物理世界 被选为2011年十大书籍之一, 华尔街日报 被宣布为“结束所有食谱的食谱”。

本月,Myhrvold发行了续集: 现代派面包,这是一本五卷,共2642页的怪物的书(加赠配方手册),重24.2公斤。像前辈一样自行出版, 现代派面包 基于Myhrvold和他的团队使用最先进的设备进行的大约1600个实验。它有望成为有关面包历史和科学的终极著作。但是,我想知道,关于人类已经烘烤超过30,000年的这种普通的,简单的,有时还是美味的食物,还有什么要学习的?

进入烹饪实验室

我离开入口大厅进入Intelligent Ventures,然后爬上楼梯到Myhrvold的自炊式烹饪实验室。在这里我遇到了一位专业厨师Francisco Migoya, 现代派面包以及烹饪实验室的研究科学家Larissa Zhou于2011年从美国哈佛大学获得了物理学学士学位。烹饪大楼宽敞,开阔,光线充足,位于建筑中间烤箱,冰箱和其他专业厨房用具(实验室可以轻松地为任何餐馆或面包店提供服务),以及更家用的设备,例如搅拌机,刀具和橱柜。靠近摄影室本身的是一堆摄影器材。

Photographs of Nathan Myhrvold and R&D chef Rebecca Spector at work 在 the Cooking Lab 在 Seattle

但是,我的目光吸引到了一系列离心机,旋转蒸发器,真空室和热电偶,这些类型在物理实验室中更为常见。 Migoya解释说,他和团队中的其他人使用这些设备创造了新的烹饪技术。他说:“我们发现,如果在炸炸之前先将它们放在超声波浴中,就可以烹制出更好的炸薯条。”他指着一种用于清洁珠宝的装置。 “超声波在表面上几乎不会产生剥落,使油暴露更多的区域,使炸薯条更脆,同时又保留了内部的嫩度。”他补充说,它也适用于意大利面条,在这种情况下,剥落会使奶油沙司更加鲜美。

Migoya和Zhou介绍了烤箱的物理原理,以及餐厅如何优化面包制作的描述。突然之间,我突然听到我身后的幽默热闹的笑声。我转身发现Myhrvold站在技术人员旁边,将面粉和水混合。 “看起来您刚刚流鼻涕!”他说,带着不敬的喜悦。我发现Myhrvold很少没有笑容或笑容,他认为研究应该是跨学科且有趣的。今天,他穿着T恤,这是气象台的宣传广告:“ Deep Space 7 Day Forecast”(深空7天预报),其中有七个预报相同状况的盒子,“ Clear。沉淀的机会为0%。温度–270°C”。

我们退回到一间会议室,在那儿Myhrvold似乎不容易静止坐下来。Myhrvold的头发短而红润(尽管是美白的)从他的头顶伸出,好像他刷过Van de Graaff加速器一样。精力充沛且躁动不安,他抓住一切机会起身给我看东西,或在黑板上画图。跟随他就像是试图跟上不断向新方向飞奔的浪潮。但是他的好奇心建立在扎实的科学血统书上。

填补真空

在1979年获得20岁的加利福尼亚大学洛杉矶分校数学学士学位后,Myhrvold在美国普林斯顿大学获得了理论和数学物理学博士学位。然后,他在英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)从事了为期一年的博士后研究,研究了量子场论和量子引力,然后于1984年成立了自己的软件公司。两年后被微软收购,而Myhrvold则花了14年的时间。在公司任职,最后以比尔·盖茨(Bill Gates)的首席技术官身份工作了四年。

当Myhrvold于2000年成立Intelligent Ventures时,他开始把更多的时间花在做饭上作为业余爱好(尽管他已经离开微软去烹饪学校学习),并对“苏维德烹饪,将鱼或肉在真空中密封在袋子中,然后在水浴中烹饪。由于浴温可以精确控制, 苏维德 (法语为“真空下”)使您可以比使用热石或烤箱均匀地烹饪鱼或肉。因此,与其将食物的内部煮熟而不是过度烹饪, 苏维德 始终保持相同的“完成度”。

听起来不错,但那时候 苏维德 是一种有争议的技术,怀疑是不安全的。 “我认为对此有一些研究,” Myhrvold解释说。 “一些数据将为我提供全部帮助。什么都没有!”因此,在业余时间,他开始自己生成数据。当他制作这些数据并探索烹饪的科学层面时,迈尔斯沃尔德的好奇心变成了一种激情。他的兴趣与“分子美食”的兴起同时发生。“分子美食”是牛津大学物理学家尼古拉斯·库尔蒂(Nicholas Kurti)在1980年代创造的,用于描述利用科学知识和技术来探索新的烹饪机会。

这一运动催生了研究中心和新餐厅-最著名的是西班牙加泰罗尼亚的elBulli-Myhrvold发现他的烹饪研究深深地满足了个人和智力上的需求。他说:“烹饪是大多数人定期进行的唯一科学实验。” “有变量-有些可以控制,有些则不能。并非总是如此,您可以从失败和成功中学到更好的方法。化学描述了很多细节,但是物理是关键。”

破面包

在研究烹饪的科学基础大约十年之后,他说自己花费了数百万美元,迈尔沃尔德将自己的发现提炼为 现代主义美食,他与厨师克里斯·杨(Chris Young)和马克西姆·比莱(Maxime Bilet)共同撰写。六册包含大量的照片以及有关食物和食物制备的信息-从如何洗手到法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier)的传记,他发现了热传导扩散的偏微分方程。该书还打破了一些饮食神话,例如坚持认为某些红酒加入盐后味道会更好,并且可以通过在食品搅拌机中搅打葡萄酒来给葡萄酒充气(这两个讽刺性的观念被葡萄酒势利者嘲笑了)。

现代主义美食 感到敬畏,如果偶尔混合。为这本书复习 纽约时报,美国食品作家迈克尔·鲁尔曼(Michael Ruhlman)称它为“在同一时刻,令人心碎,无聊,眼睛鼓舞,令人陶醉,令人陶醉,令人沮丧,令人着迷”。最后,鲁尔曼感谢迈尔沃尔德(Myhrvold)允许厨师放弃“分子美食”这个更令人愉悦的术语“现代主义美食”,并以“他和他的工作人员的空前的敬业精神向他致敬”。

迈尔沃尔德告诉我,他对这本书中的所有物理学都没有道歉。 “一位面试官问我是什么让我认为我可以在厨房里放科学了。我说,‘科学永远存在!我只是把无知带出去了!’”

那么什么是无知 现代派面包 现在要退出烘烤了吗?

他说:“事实证明很多。” “仅仅因为烹饪习惯已久,并不意味着它是好的。 1970年代,一场手工面包运动提倡恢复过去所谓的优质面包制作。废话!最好的面包现在正在烤!”

Myhrvold带领我到附近的房间,那里放满了他的工作人员可以找到的每本面包书籍-超过300本的古代和现代书籍。它还有一些历史文物,例如古罗马使用的邮票来识别面包的起源。但是当周将这些书放入数据库中以发现面包食谱有什么相似之处时,结果却出乎意料地很少。

Photograph of bread 在 dough form and then risen as a loaf

迈尔沃尔德说:“包括圣经在内的许多古代文献都提到面包。” “那面包和今天一样吗?看起来一样吗?你怎么能找到?没有相机!”他决定花时间研究旧画,但发现艺术史学家倾向于不在他们的画目录中包括食品。但是《最后的晚餐》中总是有面包,而迈尔沃尔德则花了一天的时间在巴黎的罗浮宫博物馆里检查了几幅。 “我注意到了一件有趣的文化事–艺术家会在耶稣的桌子上画上自己的时间。有一幅15世纪的德国绘画,显示基督和使徒吃椒盐脆饼!上帝怎能没有椒盐脆饼!”

物理分散 现代派面包,其中详细介绍了热量如何通过食物流动以及由于二氧化碳气体的微小气泡而导致烘烤如何“起作用”(图1)。

“哈佛教授曾经问我,'我是否烤过这么大的面包'” –迈尔沃尔德举起双手大约相距半米-“”我花了几个小时做饭。如果我要煮相同量的面包,则需要20-30分钟。为什么?’事实证明它与热传递有关。”正如Myhrvold解释的那样,当热量通过传导流进烤炉中时,在面包中的热量却更多,因为破裂的气泡打开了“热管”,热量可以通过对流运动通过。两者具有不同的缩放定律。的确,热管的物理特性会影响其他自然现象,包括火山等各种地质过程(图2)。

Photograph showing how lines of bubbles as heat pipes that transfer heat from the outside of a dough to the 在side

气泡大小在面包制作中也很关键:例如,在法式长棍面包中,您想要的气泡越来越少。但是,表面张力随气泡大小的增加而非线性增加,这意味着将一个微小的气泡扩展到给定体积所需的能量要比将一个较大的气泡膨胀相同大小所需的能量大得多。 Myhrvold说:“作为一名宇宙学家,我对同一主题感兴趣,因为在时空泡沫研究或多元宇宙理论中出现了相同的话题。” “不可能制造出无限曲率的微小气泡!”那是 现代派面包:读者将了解到,物理学不仅与烹饪有关,而且对更广阔的世界具有广泛的跨学科影响。

揉知道

Myhrvold清楚喜欢的神话破坏案例也散布在这本书中。揉捏。他说:“当我告诉人们不需要揉面包时,他们会感到恐惧。 ‘妈妈总是这么做!’但这几乎是一种欺诈。揉捏可以起到一定的作用,但它并没有达到人们的预期效果-将其[面粉和水]彻底混合。机械反应会加热面粉,这对与水混合很有好处。但是,真空封口机(可以使面粉和水在真空封口的包装中发生化学反应)是优越的。”

面包烘焙似乎是一种简单的方法,它利用了其他地方也有的深层物理学原理。 “就像为什么天青一样,”迈尔沃尔德说。 “我想在瓦尔普奇(Val Fitch)的普林斯顿大学演讲结束时,我甚至被问到了这个问题。您是否知道脱脂牛奶是蓝色的原因相同?在家进行此实验:喝一杯水,倒入一匙脱脂牛奶,您会发现它呈蓝色。是出于同样的原因。”

瑞利散射?

“究竟!粒度。空气分子足够小,您会得到蓝色散射。天空的颜色告诉您粒子的大小。如果您尝试使用全脂牛奶,则脂肪小球会更大,从瑞利散射到米氏散射。 [Gustav] Mie是解决这个问题的德国物理学家。三重散射也是面包是白色的原因!在这种情况下,一件设备完全改变了您对某些事物的看法。如果您在显微镜下看面包,那是一种透明的凝胶。它看起来像淋浴玻璃。”

Photographs of yeast, water and salt falling 在to flour and also of bread rolls emerging from a hot oven

我必须对此表示怀疑,因为Myhrvold突然命令他的助手们带面包-他们可以立即发现任何一种面包,然后带着四个热狗面包回来。他带领我到他的私人办公室下楼。 “你知道我是微观经理!”他笑着说。有一阵子我不确定他指的是什么:他有能力即时送出食物,或者很可能是指沿着一堵墙排上六打显微镜。然后,Myhrvold将一块一块放在显微镜下。果然,它就像一堆破碎的淋浴玻璃。

公众热情

我问Myhrvold,他的烹饪实验室与长期运行的美国电视节目America's Test Kitchen有什么不同,在该电视节目中,工作人员测试了不同的食谱制作方法,并向观众介绍了科学知识。 “我喜欢 美国的测试厨房”,Myhrvold说。 “但是我们从他们离开的地方开始。他们将尝试一打左右的食谱,以找到人们在家中最好,最可靠的食谱。我们使用先进的科学设备来尝试了解发生某些事情的原因。”

但是,我问,如果您的研究需要先进的科学设备,普通工作人员会对它感兴趣吗?

“我没有给普通的工作人员足够的荣誉,” Myhrvold说道,这是我在长达一个小时的聊天中唯一的烦恼。 “不要愚弄别人!人们对为什么感兴趣。在微软任职期间,史蒂夫·霍金(Steve Hawking)发表 时间简史 和麦当娜出版 性别。谁卖出更多副本?甚至还差得很远–霍金以超过10:1的比例超过麦当娜。您不必是高端厨师,就可以被食品科学迷住。”

不是天文学家的人可能会被天文学迷住?

“对。此外,烹饪实验室的食品科学还使人们可以根据需要进行高端和特殊的烹饪。很多书上都有写着“做,做,做”的食谱。如果您喜欢做这样的事情而又不了解原因或方式,那就买那些书吧!非正式的口号是,我们的书籍适合那些对食物充满热情和好奇的人。如果您不热衷,那么2640页的食谱不适合您!”

Myhrvold可以与工程类比,其中的洞察力使工程师不仅可以建造平凡的安全建筑,还可以建造新的非凡结构。 “世界上大多数桥梁都很无聊-进行桁架练习-但是深入的了解使像[西班牙建筑师和工程师圣地亚哥] Calatrava这样的人使它们变得异常美丽。”

我请Myhrvold举一个简单的例子,说明他积累的烹饪知识如何帮助普通的家庭烹饪。

他问我:“如果牛排的厚度是上次烹制的牛排的两倍,那么烹饪将花费多长时间?”

我说我不知道​​。更长一些。

他说:“大多数厨师甚至都无法准确地告诉您,因为即使这是一个非常基本的问题,没人会教给他们。答案是四次。牛排中的热量通过传导起作用,传导具有与深度平方成正比的缩放定律。”

那么,烹饪就没有直觉或指尖的知识了吗?

“当然有!一位日本厨师比我更快,更熟练地切割鱼。但是,如果您与当地牛排馆的人交谈,他可能会直观地知道烹饪牛排需要多长时间,但这是从长期的经验中得出的。”

怎么了

“三件事,”迈尔沃尔德说。 “首先,从经验中学习意味着您花了很多功夫。那家伙毁了很多牛排!其次,从经验中学习无助于教人。为什么不通过告诉学习者原理来加快速度呢?第三,有时候正确的做事方法违反直觉 苏维德,您可能永远不会从经验中找到它。积极的研究可以发现新事物。”然后,迈尔沃尔德让我想起了几起涉及航海工程的事件,这些事件是由于人们对浮力中心原理的不了解,使经过反复试验而建造的船只(例如17世纪的瑞典军舰瓦萨号)翻转并沉没了。

百吉饼及以后

因此,对话涵盖了许多主题 现代派面包 –例如,黑麦和小麦面包之间的差异,或者为什么羊角面包的外皮是麦角面包而百吉饼的却不是。我们谈论热效应,以及为什么您可以安全地将手臂伸入250°C的干燥烤箱中,但不能放在沸水锅上。我们谈论仪器,以及Myhrvold如何购买昂贵的烤箱只是为了将它们拆下来拍照。

在Myhrvold做出另一项承诺之前,我问他食物物理学与该学科的其他分支有何不同。 Myhrvold承认:“食物物理学不同于粒子物理学。”正如他提醒我的那样,如果您想发现希格斯,则必须构建一个大型加速器,并借助技术来推动发现和您的工作。 “但是大多数科学并非如此。大多数科学是由兴趣和焦点驱动的,而不是由工具驱动的。这个实验室的物理学就是如此。研究将我们带到了需要我们的地方。”

当我离开烹饪实验室开始回到纽约的旅程时,我意识到我犯了一件严重的错误。我一直希望学习物理学可以教给我们的面包和烘焙知识。但是正如Myhrvold明确指出的那样,大量的知识也朝着另一个方向流动。

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