10 интересных научных открытий, связанных со звуком
В лаборатории звуки становятся таинственными и прекрасными. То, что во внешнем мире часто воспринимается как должное, преображаясь в звуковые волны и частоты, меняет научные представления.
Здесь звуки меняют свою структуру, раскрывают невероятные свойства и обнаруживаются в неожиданных местах. Звук также может удивительным образом воздействовать на человеческий мозг. Сегодня мы расскажем о десяти интересных научных открытиях, связанных со звуком.
10. Звуки могут объяснить процесс анестезии
Традиционно в медицине считается, что нервные клетки «разговаривают» друг с другом с помощью электрических импульсов. Они – сигнальные каналы, по которым от мозга к руке передаётся команда помахать кистью или погладить кошку. Для физиков это звучит неубедительно. Законы термодинамики гласят, что электрические импульсы должны генерировать тепло, но в человеческом теле этого не наблюдается. Физики предложили другую гипотезу: нервы передают не электричество, а звуковые волны. Не все учёные согласны с этим, но это могло бы объяснить давнюю медицинскую загадку.
Анестезирующие препараты существуют давно, но до сих пор нет твёрдой уверенности в том, каким образом им удаётся снизить чувствительность организма. Нервные клетки имеют мембраны. Для передачи звуковых сообщений они должны иметь температуру, соответствующую нормальной температуре человеческого тела. Возможно, что анестезирующие препараты меняют внутриклеточную температуру, что делает мембраны неспособными передавать звуковые волны, содержащие сигналы о боли.
9. Зрительная система может быть связана со слуховой
Очередной эксперимент с обезьянами заставил всех разинуть рты. Обезьян приучили прикасаться к световому пятну каждый раз, когда оно появлялось на панели. Когда пятно было ярким, обезьяны это делали с лёгкостью, когда пятно было тусклым, обезьяны начинали испытывать затруднения. Однако когда появление тусклого пятна сопровождалось резким звуком, обезьяны прикасались к нему так быстро, что этому было только одно объяснение – мозг мог использовать звук, чтобы лучше видеть.
Это противоречит традиционным представлениям о нервной системе. Раньше считалось, что слуховые и зрительные части мозга не связаны друг с другом. Однако целевое наблюдение за 49 зрительными нейронами в мозге обезьян доказало обратное. При наличии звукового сигнала у тусклого пятна нейроны вели себя так, как будто глаза видели более яркий свет, чем это было на самом деле. Время реакции было настолько быстрым, что объяснить это могло только наличие прямой связи между слуховыми и зрительными частями мозга.
Такая взаимосвязь сенсорных систем может объяснить улучшение зрения у глухих и частое наличие острого слуха у слепых. Область мозга, которая ранее отвечала за утерянное свойство, перенацеливается на другую область.
8. Новый способ анализа крови
Анализы крови являются краеугольным камнем в постановке правильного диагноза, но они связаны с трудностями. Общепринятые технологии анализа крови могут занять много времени, образцы могут быть повреждены, существует и риск заражения. Лаборатории довольно трудно транспортировать.
Недавно появился новый метод, который отменяет всё это. Теперь кровь можно протестировать звуковыми волнами и получить быстрый и точный результат. Когда учёные хотят получить информацию о состоянии пациента, они охотятся за экзосомами. Эти крошечные выделяемые клетками посланники способны очень много рассказать о здоровье организма и его расстройствах.
Новая методика основана на разделении клеток, тромбоцитов, и экзосом с помощью звуковых колебаний на разных частотах. Кровь подвергается воздействию акустических колебаний на очень короткое время, что предотвращает повреждение образца.
Использование звука для анализа крови открывает большие возможности. Быстрая диагностика, тесты ранее труднодоступных органов, отказ во многих случаях от ранее необходимой биопсии – это лишь немногие из преимуществ. Одна из самых ценных возможностей заключается в том, что анализы можно проводить с помощью переносного комплекта, используемого в любых условиях – от машин «скорой помощи» до изолированных деревень.
7. Ответ на левитацию
Энтузиасты воздухоплавания пытались преодолеть гравитацию всеми возможными способами, от магнитов до лазеров. Оказывается, ответ – звуковые волны. В 2014 году шотландский университет обнаружил, что с их помощью, вероятно, можно поднимать предметы.
Звуковые волны создают давление на окружающую среду, в нашем случае – на воздух. Это давление может быть использовано для создания левитации. Однако создать действующее устройство учёным не удалось.
Проблема оказалась традиционной. Чтобы преодолеть гравитацию, волны должны испускаться в определённом порядке. Чтобы поддерживать объект в горизонтальном неподвижном положении или заставить его двигаться в нужном направлении, необходимо, чтобы давление на все точки было одинаковым. Это требует чрезвычайно сложных математических расчётов.
Недавно другая группа учёных использовала специальное программное обеспечение и данные, полученные шотландскими исследователями, чтобы создать волшебный образец. Они нашли три комбинации и даже успешно создали трёхмерное звуковое поле с помощью 64-х крошечных динамиков.
Названное «акустической голограммой» поле успешно удерживает в воздухе шарики из полистирола. С помощью трёх разных комбинаций звука исследователи смогли заставить шары слепиться вместе, замереть в неподвижном состоянии или держаться в границах клетки из звуковых колебаний.
6. Звук может погасить огонь
Поначалу преподаватели Университета Джорджа Мейсона в Вирджинии отказались поверить в успех двух своих учеников. Два будущих инженера решили погасить пламя звуковыми волнами. Предыдущие исследования по этому вопросу вызвали у них интерес и желание придумать первый огнетушитель, использующий звук.
Поскольку они были инженерами-электронщиками и программистами, а не химиками, сначала они получали в основном насмешки вместо поддержки. Но 23-летний Сет Робертсон и 28-летний Вьет Тран всё равно продолжали свои испытания, под руководством одного единственного профессора и иногда на собственные деньги.
Они быстро отказались от музыки, так как её волны были слишком хаотичными, чтобы загасить огонь. Главная идея этого способа заключается в том, чтобы перекрыть доступ к огню подпитывающему его кислороду. Это удалось сделать, когда на огонь подали низкочастотные колебания в диапазоне от 30 до 60 герц.
Звуковые колебания создают разреженную область с небольшим содержанием кислорода. Отсутствие кислорода заставляет пламя гаснуть. Для создания переносного огнетушителя требуется проделать ещё много работы, нужно испытать огнетушитель на разных видах топлива и формах возгорания. Но открытие распахивает дверь для создания более совершенных средств пожаротушения, которые не оставляют после себя токсинов, как обычные огнетушители.
5. Звук меняет вкус
Низкочастотные звуки не только гасят пожары. Они также придают еде горький вкус. На другом конце шкалы их высокочастотные коллеги добавляют немного сладости.
Причина этого не совсем понятна, но множество экспериментов в лаборатории и ресторанах подтвердили, что звуки влияют на вкус. Исследователи назвали это «модуляцией вкуса». Кажется, что звуки способны добавить горечь или сладость почти всему – от пирога до кофе.
Это необычное влияние не затрагивает вкусовые рецепторы как таковые. Похоже, что звуки влияют на то, как информацию о вкусе воспринимает мозг. Высокие или низкие ноты частоты заставляют его уделять больше внимания сладким или горьким оттенкам вкуса еды.
Шум также может негативно повлиять на аппетит. Проведённое в 2011 году исследование показало, что шумовой фон способен сыграть большую роль. Если он слишком громкий, люди меньше чувствуют соль и сладость и не получают удовольствия от еды. Это объясняет, почему в шумных ресторанах может быть невкусная еда и почему у авиалиний в этой области плохая репутация.
4. Симфонии данных
Марк Баллора вырос в музыкальной семье. Позже, во время своих докторских исследований, он заинтересовался превращением информации в музыку. Он занялся сонификацией – переводом сухих данных в звуковые волны.
В течение следующих двух десятилетий Баллора создавал песни, в которых содержались данные нескольких исследований, в том числе об энергии нейтронной звезды, циклах температуры тела арктических белок, солнечном излучении и тропических штормах.
Создавая очередную симфонию, Баллора сначала знакомится с информацией и предметом исследований. Затем он подбирает звуки, которые соответствуют числам и характеру исследования.
Циркулирующие звуки соответствуют тропическому шторму. Солнечный ветер, переложенный на музыку, создал мелодию «изменений и мерцаний». Хотя в научном мире это не приобрело широкого распространения, сонификация получила определённое признание в астрономии.
В Южноафриканской астрономической обсерватории в Кейптауне слепой астрофизик Ванда Мерсед прослушивает полученные данные. Она обнаружила, что звёздные взрывы производят электромагнитные волны, когда частицы вследствие этого обмениваются энергией. Её зрячие коллеги это пропустили, потому что они смотрели только на графики.
3. Эффект Коктейль-пати
Когда исследователи решили изучить феномен, называемый «эффектом коктейль-пати», они обратились к пациентам с эпилепсией, так как те уже обладали необходимыми для наблюдения предметами – электродами вокруг своего мозга.
Электроды предназначались для записи активности мозга во время приступов, но семь пациентов дали согласие и на участие в исследовании эффекта коктейль-пати. Он заключается в том, что в очень шумной обстановке человек способен сосредоточиться на строго определённой беседе. Учёные хотели понять, как работает мозг в условиях активных шумовых помех.
Каждый субъект слушал одну и ту же запись на фоне шумов, не понимая речь говорившего. Затем они прослушивали чёткую версию того же предложения, за которой следовала ещё одна зашумлённая запись. Невероятно, но в этот раз все испытуемые поняли говорившего. Активность мозга показала, что они не притворялись.
Во время первого теста (с искажённой записью) области мозга, отвечающие за слух и речь, оставались малоактивными. Но во время остальных прослушиваний они работали. Как оказалось, причина нашей способности следить за разговорами на шумной вечеринке кроется в невероятной и молниеносной пластичности мозга.
Как только мозг распознал слова, он начал по-другому реагировать на второе искажённое предложение. Он произвёл тонкую подстройку слуховых и речевых систем, которая позволила определить источник речи и отфильтровать шум.
2. «Розовый шум»
Среди людей, страдающих бессонницей, термин «белый шум» иногда является синонимом спокойного ночного отдыха. Способность мозга игнорировать второстепенные звуки – например, шум вентилятора – помогает многим заснуть. Но несколько независимых исследований показали, что есть нечто лучшее для спокойного сна – «розовый шум». «Белый шум» – это звук с равномерной мощностью на всех частотах, а «розовый» – это смесь звуков, в которой мощность сигнала обратно пропорциональна его частоте. Свет, в котором соблюдаются те же условия, кажется розовым, именно это и дало шуму похожее название.
Приятные звуки ветра, шелест листьев или звук дождя, стучащего по крыше, могут понижать активность мозга. В результате сон становится глубже и спокойнее. Китайские исследователи обнаружили, что «розовый шум» убаюкивает 75% добровольцев. Когда они протестировали любителей дневного сна, выяснилось, что спавшие под «розовый шум» восстановились лучше остальных на 45 процентов.
Для пожилых людей это может быть хорошей новостью. Старение приводит к фрагментарному сну, который ответственен за потерю памяти. Группа из Американского университета проверила людей старше 60 лет, подвергая некоторых из них во время сна воздействию «розового шума». Утром был проведён тест памяти. Те, кто никогда не подвергался воздействию «розового шума», показали в три раза худшие результаты.
1. Есть люди, которые ненавидят звук
Для тех, кто любит «розовый шум» или рок-концерты, может показаться нереальным встретить кого-то, кто не может получить удовольствие от сладких звуков. Тех, кто потеет и страдает от учащённого сердцебиения, когда они слышат определённые шумы.
Хотя некоторые могут подумать, что эти люди притворяются, учёные из Великобритании обнаружили, что нетерпимость к звукам является настоящим медицинским диагнозом. Эту болезнь назвали мисофонией, она связана с аномалией мозга. У людей, страдающих этим заболеванием, лобные доли меньше и слабее, чем у всех остальных.
Две группы людей слушали звуки, пока учёные изучали их мозговую деятельность. В первой группе были страдающие мисофонией, во второй – нет. Неприятные звуки возбуждали центральную долю мозга у всех испытуемых, независимо от группы. Эта же область мозга, помимо прочего, отвечает за эмоции и реакцию на вызов на бой.
Однако мозг мисофоников реагировал более интенсивно и вызывал физические симптомы стресса, такие как учащённое сердцебиение и потливость. Интересно, что деятельность центральной доли напрямую зависит от наличия аномалий в лобной доле.
