一杯完美濃縮咖啡的秘訣？物理學(xué)家算出來(lái)了

你有沒(méi)有想過(guò)，為什么咖啡師做出來(lái)的濃縮咖啡總是比家里的好喝？是豆子更貴，還是機(jī)器更專業(yè)？德國(guó)慕尼黑的路德維希-馬克西米利安大學(xué)最近發(fā)表的一項(xiàng)研究給出了一個(gè)意想不到的答案：關(guān)鍵不在烘焙，而在物理學(xué)。

更準(zhǔn)確地說(shuō)，是一組原本用來(lái)解釋火山噴發(fā)的方程。

地球科學(xué)家法比安·沃茲沃斯（Fabian Wadsworth）主要研究火山爆發(fā)。今年4月1日，他和團(tuán)隊(duì)在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)開(kāi)放科學(xué)》期刊上發(fā)表論文，把研究巖漿中氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，套用到了濃縮咖啡的萃取過(guò)程上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者遵循的物理規(guī)律驚人地相似。

沃茲沃斯最初接觸這個(gè)課題，其實(shí)是為了教學(xué)。"咖啡感覺(jué)是一種很自然的方式，讓學(xué)生可能對(duì)這些問(wèn)題產(chǎn)生興趣，"他在采訪中說(shuō)。他原本只是想找個(gè)生活中的例子來(lái)講解"滲流"這個(gè)地質(zhì)學(xué)概念——描述液體如何在多孔介質(zhì)中移動(dòng)——沒(méi)想到真的算出了一套能用的方程。

讓我們先回到濃縮咖啡的制作過(guò)程。咖啡師把研磨好的咖啡粉填入粉碗，用壓粉器壓實(shí)，形成一個(gè)致密的"粉餅"。然后高溫高壓的水穿過(guò)這個(gè)粉餅，把風(fēng)味物質(zhì)、苦味化合物和咖啡因萃取出來(lái)。聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但變量極多：粉的粗細(xì)、壓的力度、水溫、壓力、時(shí)間……

沃茲沃斯說(shuō)，做出一杯好濃縮咖啡，核心其實(shí)只有兩個(gè)條件。

第一，粉餅必須均勻。不能有結(jié)塊，不能一邊緊一邊松。"這樣就不會(huì)出現(xiàn)粉餅?zāi)硞€(gè)區(qū)域流速比其他區(qū)域快的情況，"他解釋道。均勻的粉餅確保水能擴(kuò)散到所有咖啡顆粒，盡可能多地捕捉到隱藏的風(fēng)味。

第二，控制水穿過(guò)咖啡的時(shí)間。粉餅壓得越實(shí)，水與顆粒接觸的時(shí)間就越長(zhǎng)。接觸太久，萃取出過(guò)多苦味物質(zhì)；接觸太短，風(fēng)味和咖啡因又出不來(lái)。這個(gè)平衡很微妙。

研究團(tuán)隊(duì)建立的方程，前提就是假設(shè)咖啡粉已經(jīng)均勻分布、壓力一致。"一旦實(shí)現(xiàn)了均勻性，你就可以用我們的模型來(lái)計(jì)算流速，"沃茲沃斯說(shuō)。

為了驗(yàn)證這個(gè)方程，他們做了相當(dāng)扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)。選了兩種咖啡豆：盧旺達(dá)的Tumba和哥倫比亞的Guayacán，每種都在11種不同的研磨度下測(cè)試，總共22個(gè)樣品。然后用軟件把多張X射線斷層掃描圖像合成三維模型，追蹤液體在樣品中的流動(dòng)路徑。

結(jié)果顯示，這套濃縮咖啡方程描述咖啡粉中滲流的效果，與其他方程描述氣體在巖漿中、或水在砂巖中流動(dòng)的效果一樣清晰。更重要的是，它量化了顆粒大小如何通過(guò)"滲透性"顯著影響口感。"如果你把顆粒大小加倍，滲透性就會(huì)增加到四倍，"沃茲沃斯說(shuō)。

滲透性是個(gè)關(guān)鍵概念。在地質(zhì)學(xué)中，它描述巖石允許流體通過(guò)的能力；在咖啡里，它決定了水有多"順暢"地穿過(guò)粉餅。顆粒越大，咖啡粉之間的空隙就越多，水跑得越快，萃取時(shí)間就越短。反過(guò)來(lái)，細(xì)粉會(huì)把空隙填滿，水得慢慢擠過(guò)去，萃取時(shí)間拉長(zhǎng)，苦味物質(zhì)也被帶出來(lái)更多。

蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)的咖啡科學(xué)專家薩莫·斯姆爾克（Samo Smrke）評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究時(shí)說(shuō)，把火山學(xué)的洞見(jiàn)用于咖啡研究" genuinely exciting"—— genuinely 這個(gè)詞挺有意思，說(shuō)明在交叉學(xué)科里，這種遷移并不總是成功，但這次確實(shí)有效。他還提到，這展示了"一個(gè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的方法如何能為另一個(gè)領(lǐng)域打開(kāi)新視角"。斯姆爾克本人沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

說(shuō)到這里，你可能已經(jīng)意識(shí)到一件事：那些動(dòng)輒上萬(wàn)的濃縮咖啡機(jī)，那些關(guān)于"黃金萃取比例"的神秘說(shuō)法，底層其實(shí)是一套可以計(jì)算的物理過(guò)程。咖啡師的手藝——判斷粉餅是否均勻、預(yù)估流速快慢——本質(zhì)上是在做一種基于經(jīng)驗(yàn)的物理估算。

這項(xiàng)研究的價(jià)值，在于把這種估算變成了可以量化的預(yù)測(cè)。當(dāng)然，方程歸方程，好喝歸好喝。物理學(xué)能告訴你水流有多快，但"完美"的標(biāo)準(zhǔn)因人而異。有人喜歡明亮果酸，有人偏好濃郁焦糖感，這些偏好不在方程的變量里。

不過(guò)，如果你在家做濃縮咖啡總是不穩(wěn)定——時(shí)而寡淡時(shí)而苦澀——也許問(wèn)題不在你的舌頭，而在粉餅的均勻性，或者研磨度與時(shí)間的匹配。沃茲沃斯的研究至少提供了一個(gè)排查思路：先確保粉餅均勻，再調(diào)整參數(shù)讓流速落在合理區(qū)間。

從火山到咖啡杯，這個(gè)跨度聽(tīng)起來(lái)很大，但物理規(guī)律是通用的。巖漿在地下尋找出口，水在高壓下穿過(guò)咖啡粉，本質(zhì)上都是流體在多孔介質(zhì)中的滲流。沃茲沃斯最初只是為了讓學(xué)生更好理解課堂概念，卻意外給咖啡行業(yè)提供了一個(gè)新工具。

這種跨學(xué)科的遷移，在科學(xué)史上并不罕見(jiàn)。X射線最初用于醫(yī)學(xué)，后來(lái)成了藝術(shù)鑒定的手段；博弈論源于經(jīng)濟(jì)學(xué)，現(xiàn)在用在進(jìn)化生物學(xué)里解釋動(dòng)物行為。濃縮咖啡方程或許不會(huì)立刻改變你每天早上的咖啡，但它確實(shí)說(shuō)明了一件事：當(dāng)你用物理學(xué)的眼光重新審視日常事物，常常會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。

至于這項(xiàng)研究的下一步，論文里沒(méi)有明確提及。但一個(gè)合理的猜測(cè)是，咖啡設(shè)備制造商可能會(huì)對(duì)這種預(yù)測(cè)模型感興趣——用它來(lái)設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的機(jī)器，或者開(kāi)發(fā)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉餅均勻性的傳感器。畢竟，如果一杯好咖啡的物理基礎(chǔ)已經(jīng)算清楚了，剩下的就是工程問(wèn)題了。

當(dāng)然，這些都是推測(cè)。論文本身止步于驗(yàn)證方程的有效性，沒(méi)有涉及商業(yè)應(yīng)用。但你可以想象，在慕尼黑大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，一群地質(zhì)學(xué)家一邊喝著用火山方程指導(dǎo)沖煮的濃縮咖啡，一邊討論下一次噴發(fā)模擬——這種畫(huà)面本身就挺有趣的。

最后，回到那個(gè)最初的問(wèn)題：為什么咖啡師的濃縮咖啡更好喝？答案可能是，他們通過(guò)長(zhǎng)期練習(xí)，無(wú)意中掌握了這套物理規(guī)律的手感版本。而現(xiàn)在，科學(xué)把它寫(xiě)成了方程。對(duì)于喜歡精確控制的人來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息；對(duì)于相信直覺(jué)和手藝的人來(lái)說(shuō)，這或許是個(gè)提醒——好的物理模型，從來(lái)不妨礙藝術(shù)的存在，它只是讓藝術(shù)有了更扎實(shí)的起點(diǎn)。