10 восхитительных научных открытий о звуке

В условиях лаборатории любой шум приобретает совсем необычное и удивительное звучание. Во внешнем мире мы воспринимаем многие звуки как само собой разумеющееся. Звуковые волны, частоты и даже музыка то стихают, то вновь возрождаются, и мы реагируем на них, как привыкли за всю свою жизнь. Однако сверхтехнологичные устройства могут открыть совершенно невероятные свойства и способности звуков в самых неожиданных обстоятельствах и местах. Вдобавок звук может влиять на человеческий мозг на том уровне, о котором мы и не подозреваем из-за ограниченности своего восприятия. Впереди вас ждет подборка из 10 ошеломительных фактов про шумы, которые были обнаружены в научных лабораториях и во время экспериментов.

10. Звук может помочь понять эффект анестезии
Консервативная медицина придерживается мнения, что нервы передают информацию посредством электрических импульсов. Они представляют собой дорожки, по которым мозг связывается со всем остальным телом, и их даже можно назвать гонцами, передающими руке команду погладить кошку или взять чашку с кофе, например. Однако для физиков это звучит крайне непонятно. Термодинамические законы утверждают, что электрические импульсы производят тепло, но внутри человеческого тела такое тепло никто пока что не регистрировал. Поэтому ученые высказали другое предположение – нервы на самом деле используют не электричество. Вместо этого они общаются с помощью звуковых волн. Не все ученые согласны с такой теорией, но она вполне может объяснить стародавнюю медицинскую загадку.
{banner_banner1}
Анестезия не нова в мире врачевательства, но никто толком не знает, как именно отключаются все чувства. По версии физиков в этом удивительном процессе звук играет не последнюю роль. У нервов есть мембраны. Эти оболочки должны поддерживать температуру, близкую к температуре тела человека, чтобы звуковые импульсы могли передавать команды. Достаточное количество обезболивающего вещества может повлиять на температуру клеток и успешно блокирует звуковые волны, не позволяя нервам отправлять болевые сигналы во время хирургического вмешательства.

9. Зрительная система тоже может слышать
Во время эксперимента поведение обезьян привело к невероятному открытию. Сначала животных научили тянуться к свету, когда на специальном табло загоралась лампочка. Когда луч был ярким, обезьяны реагировали на него незамедлительно. Когда лампочка светила тускло, приматам становилось сложнее выполнить поставленную перед ними задачу. Однако если неяркий свет сопровождался резким звуковым сигналом, обезьяны реагировали на луч молниеносно, что позволило сделать вывод о том, что мозг может использовать даже звук, чтобы «видеть».

Это открытие пошатнуло представления неврологов о природе вещей, ведь раньше считалось, что участки мозга, отвечающие за зрение и слух, никак между собой не связаны. Однако 49 визуальных нейронов обезьяньего мозга доказали обратное.

Во время восприятия тусклого света, сопровождающегося звуковым сигналом, нейроны реагировали так, словно глаза видели более яркий свет. Скорость реакции была такой высокой, что причиной тому могла стать только прямая связь между звуковой и зрительной частями головного мозга.

Обнаруженная связь сенсорных способностей может объяснить также и улучшение зрения у глухих или отличный слух слепых. Вероятнее всего, отдел мозга, отвечающий за утраченное чувство, продолжает поддерживать другие функциональные способности человека, отправляя туда высвободившиеся ресурсы.

8. Новый способ проводить диагностику и брать анализы крови
Анализы крови – один из важнейших способов постановки правильного диагноза, но и здесь не обходится без своих сложностей. Нынешние технологии изучения образцов крови затратные по времени, и существует ряд рисков, включая заражение и повреждение пробы. К тому же доставка крови – тоже не всегда легко осуществимая задача.

Недавно появился абсолютно новый метод, который может изменить практически все! Теперь кровь можно проверять с помощью звуковых волн, что позволяет получить необходимые анализы быстро и с очень большой точностью. Недалеко то будущее, когда нужная докторам информация о состоянии пациента будет предоставляться на основании обработки данных экзосом. Эти микроскопические внеклеточные пузырьки, выделяемые тканями в окружающую их среду, могут рассказать о нашем теле и его проблемах очень много интересного. Экзосомы были обнаружены в сыворотке крови, моче, спинномозговой жидкости, слюне, грудном молоке и в других средах.

Новая технология отделяет клетки, тромбоциты и экзосомы с помощью звуков на разных частотах. Кровь во время таких акустических тестов практически не подвергается никакому вредному влиянию, что сводит к минимуму риск повреждение взятого образца.

Применение звука для анализа крови обладает большим потенциалом для спасения жизней! Среди преимуществ нового метода можно выделить более быструю диагностику, замену привычных тестов внутренних органов, до которых сложнее добраться, и отличную альтернативу стандартным процедурам биопсии, сопряженным с целым рядом неудобств. Один из самых ценных плюсов звукового метода – это то, что переносные наборы таких анализаторов можно использовать в любых условиях от стерильных лабораторий или машин скорой помощи, до удаленных и труднодоступных поселений.

7. Разгадка левитации
Чем только не пытались объяснить любители головоломок способность буддистских монахов парить над землей. Среди версий предлагались теории про магниты и даже про лазеры. Оказывается, что ответ кроется в беззвучном шуме… В 2014 году научные сотрудники из одного шотландского университета обнаружили, что звуковая перкуссия способна поднимать в воздух целые объекты.

Звуковые волны могут производить силовое давление на окружающую среду. В нашем случае это воздух. Эта сила настолько уникальна, что даже может быть использована во время левитации. Однако шотландским ученым не удалось сконструировать функциональное устройство, которое поднимало бы объекты в воздух при помощи звука.

Проблема заключалась в амплитуде и частоте. Для преодоления гравитации звуковые волны нужно было производить в определенном порядке, и от этого зависело, будет ли объект лежать на месте, парить на определенной высоте или даже двигаться в каком-то избранном направлении. Такие задачи требуют привлечение очень сложных математических расчетов.

Недавно другая группа исследователей с помощью специальной программы и данных шотландцев попыталась вычислить этот волшебный узор звуковых волн, необходимых для левитации. Они обнаружили целых три таких набора частот и амплитуд и с помощью 64 крошечных динамиков даже создали успешное трехмерное звуковое поле.

Установку назвали акустической голограммой, и в этом поле ученые научились запускать в воздух и контролировать легкие полистирольные шарики. При помощи трех различных звуковых схем исследователи смогли удерживать эти шарики в воздухе внутри звуковой клетки, как будто те находились в центре маленького звукового торнадо.

6. Звук может погасить пожар
Сначала профессора Университета Джорджа Мейсона из Виргинии (George Mason University in Virginia) отнеслись к проекту двух своих студентов довольно скептически. Пара юных инженеров хотела научиться «оглушать» огонь с помощью звуковых волн. Предыдущие исследования на эту тему вдохновили молодых ученых на создание огнетушителя, оснащенного специальной звуковой установкой.

Ребята специализировались на электроинженерии и программном обеспечении, а не на химии, и поэтому их идею сначала восприняли скорее со смехом, чем с воодушевлением. Однако 23-летний Сет Робертсон и 28-летний Вайет Трэн (Seth Robertson, Viet Tran) все равно продолжили свою работу, причем частично за собственные средства, хотя и не без участия одного из профессоров.
{banner_banner2}
Обычная музыка была исключена из исследований практически сразу, когда стало ясно, что такие звуковые волны оказались слишком непоследовательными для воздействия на пламя. Главной задачей инженеров было отлучить огонь от его главного источника питания – кислорода. Это наконец-то удалось, когда пламя подвергли низкочастотному влиянию на уровне 30 – 60 герц.

Звуковые волны создавали участок с низким насыщением кислорода, и это препятствовало подпитке пламени, которое в ответ начинало затухать. Для сборки рабочего переносного огнетушителя, способного бороться с горением разных видов топлива и пожаров разных размеров, нужно провести еще немало исследовательской и испытательной работы. Но открытие уже можно считать прорывом, который сможет революционизировать привычные методы тушения огня. Похоже, что в будущем пожарные смогут отказаться от огнетушителей, которые оставляют после себя токсичные вещества.

5. Звук может менять вкус
Оказывается, что низкочастотные звуковые волны не только тушат пожары. Они также связаны с восприятием горького вкуса еды, а высокие частоты наоборот играют роль в ощущении сладости.

Это явление пока что изучено не до конца, но большое количество лабораторных экспериментов и опытов прямо в ресторанах подтвердили, что восприятие вкусовых качеств еды зависят и от окружающего звукового сопровождения. Оказывается, вкус можно модулировать. Похоже, что ученые научились добавлять сладкий или горький оттенки во время поедания почти любого продукта, будь то торт или стейк.

Необычное влияние звуков не затрагивает вкусовые рецепторы как таковые. Все дело в магии нашего мозга. Высокие или низкие ноты влияют на мозговые предпочтения фокусироваться на сладких или горьких характеристиках пищи.

Вдобавок оказалось, что простой шум может негативно сказаться на процессе употребления пищи. В 2011 году во время одного из исследований было обнаружено, что фоновый шум играет большую роль в восприятии вкуса еды. Если вокруг слишком громко, люди реже получают удовольствие от обеденного перерыва и хуже чувствуют сладость или соленость закусок. Это в немалой степени объясняет, почему шумные рестораны – не лучшее место для ужина, или почему путешественники так часто ругают авиакомпании за перекусы, которые им подаются на борту самолетов.

4. Симфонии из научных данных
Марк Баллора (Mark Ballora) вырос в семье музыкантов. Позже во время учебы в университете и в процессе получения своей научной степени мужчина заинтересовался в преобразовании информации в музыку. В итоге Баллора пришел к сонификации, методу выражения математических данных в формате звуковых волн.

Почти за 20 лет Баллора создал целый ряд мелодий, в которых он зашифровал данные нескольких научных исследований. Среди прочих это были симфонии, составленные из работ на тему энергии нейтронных звезд, цикла температуры тела американских сусликов, тропических штормов и активности Солнца.

Во время создания таких композиций Баллора сначала знакомится с новой для себя информацией, освещенной в научном труде, а затем подбирает подходящие звуки, которые дополняют и отражают тему исследования, и переводит их в музыку.

Симфонии про тропические штормы были характерны «закручивающиеся» и цикличные звуки, музыка про солнечный ветер отличалась переходами и мерцательным ритмом. В научном мире сонификация пока что не считается широко распространенным инструментом хранения и анализа данных, но в среде астрономов она уже успела завоевать некоторый успех.

Например, слепой астрофизик Ванда Мерсед (Wanda Merced) из Южноафриканской астрономической обсерватории в Кейптауне (South African Astronomical Observatory in Cape Town) уже успела полюбить слушать свои рабочие данные в виде музыкальных композиций. Она обнаружила, что во время взрывов звезд и вследствие обмена энергии между выделяемыми из-за взрыва частицами возникают электромагнитные волны. Ее коллеги с хорошим зрением упустили это, потому что они смотрели на графики и данные, а не «слушали» эту информацию.

3. Эффект коктейльной вечеринки
Когда исследователи захотели понять суть феномена под названием «Эффект коктейльной вечеринки», они обратили свое внимание на больных эпилепсией. Эти пациенты обладали кое-чем очень ценным для науки – у некоторых из них в терапевтических целях в мозг уже были установлены специальные электроды.

Обычно эти устройства предназначены для наблюдения за приступами, но 7 пациентов согласились на участие в «коктейльном» исследовании. Когда человек пытается сконцентрироваться на определенной беседе в шумном месте, этот процесс называют эффектом коктейльной вечеринки. Ученые захотели понять, как именно нашему разуму удается распознавать речь во время активных помех.

Каждый подопытный вслушивался в одну и ту же некачественную запись речи. Почти никто из них не понял говорящего. Затем пациенты прослушали чистую версию той же самой речи, а сразу же после внятной записи им включали новый отрезок речи с шумами. Невероятно, но в этот раз слушатели поняли весь искаженный монолог. Они не претворялись, о чем свидетельствуют данные с электродов.

Во время первого теста (с шумами) отделы мозга, отвечающие за распознавание звуков и речи, оставались практически неактивными, но они тут же «загорелись» с прослушиванием хорошей записи и затем во время последней речи с шумами. Оказывается, наша способность следить за мыслью собеседника в шумном окружении связана с невероятной пластичностью и молниеносной реакцией мозга. Как только мозг распознает слова, наш разум сразу же концентрируется на последующих предложениях. Визуальная и аудитивная системы обостряются и настраиваются на выявление источника речи и отфильтровку сопутствующих шумов.

2. Розовый шум
Среди людей, страдающих от бессонницы, существует термин «белый шум», которые они иногда употребляют в отношении хорошего ночного отдыха. Это также способность блокировать фоновые помехи и игнорировать их, концентрируясь на более приоритетных задачах. Например, вы легко забываете о звуке работающего вентилятора, когда заняты чем-то важным. Но недавно ряд независимых исследований обнаружил кое-что полюбопытнее для тех, у кого проблемы со сном, - розовый шум.

Белый шум связан с равномерными и продолжительными звуками, а розовый (или мерцательный) шум считают равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. График спектральной плотности в этом случае соответствует розовому цвету, за что этот шум и получил свое название.

Приятные звуки ветра, шелест листьев или дождевых капель, стучащих по крыше, могут снизить активность мозга. В результате сон становится глубже, более спокойным и эффективным. Китайские исследователи провели опыт во время которого розовый шум убаюкал 75% волонтеров, и они выспались намного лучше, чем обычно. Когда тесты провели над любителями поспать днем, оказалось, что количество людей, вошедших в фазу восстановления и омоложения, выросло на 45%. Напомним, что в Китае дневной сон принято называть сном красоты и омоложения.
{banner_banner3}
Для пожилых людей исследования на тему розового сна – это тоже отличная новость. Старение тесно связано с прерывистым сном, что в свою очередь плохо влияет на память. Команда из одного американского университета пригласила для опытов людей старше 60 лет и пронаблюдала за их реакцией на розовый шум во время ночного сна. Утром все испытуемые прошли тесты на память. Те, кто не спал под розовый шум, справились с заданиями в 3 раза хуже, чем те, кто под него спал.

1. В мире есть люди, которые ненавидят звуки
Для тех, кто любит розовый шум или рок-концерты, это может прозвучать абсолютно невероятно, но в мире существуют люди, которые не переносят звук лопающихся пузырьков упаковочной пленки. Да-да, щелканье шариковой ручкой может вызвать у кого-то учащенное сердцебиение и потливость, настолько сильно их будет раздражать этот посторонний звук.

Вам может показаться, что эти люди преувеличивают или претворяются, но британские ученые установили, что нетерпимость к некоторым звукам – это вполне реальная медицинская проблема под названием «мизофония», и она напрямую связана с аномалиями строения головного мозга. У страдающих от мизофонии отдел фронтальной доли меньше и не такой развитый, чем у тех, для кого звук клавиатуры при наборе текста не вызывает желания кричать и плакать.

В ходе эксперимента ученые наблюдали за двумя разными группами испытуемых – мизофониками и здоровыми людьми. Все участники эксперимента слушали различные наборы звуков, пока исследователи анализировали активность их мозга. Неприятные шумы раздражали островковую долю коры головного мозга обеих групп волонтеров, вне зависимости от их состояния. Эта часть мозга отвечает за формирование сознания, поддержку гомеостаза, образование эмоций и реакцию типа «бей или беги» (ответ на угрозу).

Однако мозг страдающих от мизофонии реагировал намного интенсивнее и провоцировал возникновение симптомов физического стресса, включая учащенное сердцебиение и повышенную потливость. Интересно, что островковая доля как раз напрямую связана с аномалиями строения лобной доли головного мозга.