Естественные науки

Подслушано по-научному: почему ученых интересует то, как звучит этот мир?

3 сентября 2017 0

Студия звукозаписи

John Hult / Unsplash.com

В тех или иных контекстах мы, бывало, слышали очевидное утверждение — наш мир соткан из звуков. И эта звуковая вселенная простирается гораздо дальше пения птиц, стука колес и шелеста прибоя. Современная наука в свойственной ей пытливой манере научилась прослушивать и подслушивать объекты от целых мегаполисов до мельчайших клеток организмов. Интересно как и, главное, зачем? Вот об этом мы сегодня и расскажем на примере самых любопытных направлений sound studies, или звуковых исследований.


 

Из курса школьной физики любой прекрасно помнит, что звук — это волновое распространение колебаний. Еще мы знаем, что наш организм улавливает эти самые колебания только в определенном диапазоне частот. Иначе мы бы в полной мере ощутили, как все и вся в этом мире фонят, колеблются, а соответственно, разливаются звуками. Кстати, о физике и механике звука подробно рассказал наш эксперт в одной из предыдущих статей. Мы же посмотрим на различные области знания, в которых звук неожиданно стал предметом особого внимания.

Киматика, или Как увидеть звуковые вибрации

Вы можете себе представить, как выглядит звук? Вот и немецкий физик Эрнст Хладни на заре XIX в. задался аналогичным вопросом. А потом взял и провел визуальный эксперимент, который подтвердил, что твердые объекты, точнее, их поверхности находятся в постоянной вибрации. А значит, создают неуловимые нашими органами чувств волны. В итоге его опыты с металлическими пластинами и песком закончились получением целой галереи узоров, сотканных вибрациями. Они известны нам как «фигуры Хладни». Но на экспериментальной акустике его дело не закончилось.

Позже, более столетия спустя, швейцарский доктор медицины Ханс Дженни решил провести аналогичные опыты и визуально запечатлеть то, как «звучат» различные объекты.

Свое исследование он назвал «киматика», от греческого слова «kyma», что означает волна. На сотнях сделанных им изображений видно, что даже малейшие колебания предметов, находящихся в абсолютном покое, можно визуализировать.

Кто-то не без преувеличения называет киматику универсальным языком Вселенной. Кто-то ищет более глубокие объяснения найденному обстоятельству в физике, геометрии и математике. А кто-то в лице Джона Стюарта Рида и Эрика Ларсона создает специальный инструмент — кимаскоп (cymascope), чтобы визуально отобразить любые колебания в этом мире. То есть по сути кимаскоп «рисует» любой звук, любую вибрацию. Так, каждая музыкальная нота в фортепьянном исполнении, запечатленная через кимаскоп, имеет свою уникальную геометрическую форму.

Теперь же указанные визуальные эксперименты используются для исследований в области физики, экологии и медицины. Главное здесь — это эмпирическое доказательство того, что вибрации, читай — звуки, способны создавать и изменять физические структуры.

Соноцитология — мелодика клеток

Отголоски киматической теории слышны в довольно специфической научной сфере, соноцитологии. Как известно, цитология — это наука о клетках организма, так вот соноцитология — это наука о том, как звучат эти самые клетки. Нет, мы не уходим в парабиологию, эзотерику и прочие ненаучные истории. У соноцитологии есть хоть и не очень распространенная, но уверенная исследовательская основа.

Также есть у этого ответвления цитологии, как и положено, свой автор. Зовут его Джеймс Гимжевски, он американский химик, профессор Калифорнийского университета (UCLA). Как-то в лаборатории своего коллеги он наблюдал за экспериментом, в ходе которого исследовались клетки сердечной мышцы лабораторного грызуна.

Профессора Гимжевски удивило, что при помещении в питательную среду клетки находились в движении.

С одной стороны, он прекрасно понимал, что клеточная мембрана (клеточная стенка) — это динамическая структура, в пределах которой происходят различные процессы вроде синтеза веществ и деления. То есть на самом микроскопическом уровне клетка уже не статична как целостный объект. При этом конкретно на вибрации, которые производит клетка, акцент, как правило, в предыдущих исследованиях не делался. Тогда-то к Джеймсу Гимжевски и пришла идея «послушать» музыку живой клетки.

Для этого он использовал атомно-силовой микроскоп (АСМ). Главная его особенность — он сканирует поверхность на самом мельчайшем уровне, вплоть до атомарного. Когда Гимжевски поместил под этот микроскоп клетку дрожжевого гриба, то оказалось, что она и впрямь издает вибрации, около 1000 в секунду.

Тогда профессор сделал смелое предположение: если к зонду данного АСМ подсоединить мощный усилитель для низких частот, то можно услышать клеточное звучание. И на практике эта гипотеза подтвердилась.

В итоге Джеймс Гимжевски и его аспирант Эндрю Пэллинг «прослушали» дрожжевые клетки, но в различных состояниях. Например, при добавлении спирта, при вызове мутаций и умерщвлении их. В последнем случае, когда клетки были мертвые, они издавали самые незначительные вибрации — таков был звук броуновского движения.

Главный вывод, сделанный учеными после проведенных экспериментов, связан с предположением о том, что здоровые и больные (особенно раковые) клетки издают различные вибрации.
А значит, соноцитологическая диагностика позволит выявить признаки заболевания в самом зачатке. Обо всем этом Гимжевски довольно убедительно рассказал в статье, опубликованной в августовском номере журнала Science от 2004 г.

Опухоль

Опухоль / Eraxion, Вigstockphoto.com

Стоит ли всерьез воспринимать звуковую терапию?

Вполне ожидаемо, что исследования различных колебаний и вибраций стали переплетаться с биологией и медициной, в итоге вылившись в ряд специфических направлений вроде нейроакустики и звукотерапии. Несмотря на то что их считают новыми областями медицинской теории и практики, во множестве культур звукам и прочим вибрациям отводилась целительная функция — вспомним хотя бы индийские мантры. Однако «sound healing» как направление имеет среди заинтересованных вполне серьезные научные центры, в частности Университет Вандербильта (США), Университет Ворчестер (США), Чичестерский университет (Великобритания) и др.

В какой-то степени на развитие звукотерапии влияние оказала и отмеченная выше киматика. Так, еще в 40-х гг. прошлого века швейцарский врач-остеопат по имени Питер Манерс, вдохновленный киматической теорией, стал проводить исследования волновых и колебательных явлений в отношении человеческого здоровья. В итоге он разработал около 750 вибрационных кодов (сочетаний звуков) для воздействия на органы, ткани, кости и железы. Широкого распространения, разумеется, эта методика не получила, однако применялась в одной из британских клиник вплоть до 2005 г.

Куда более распространены исследования, касающиеся влияния тех или иных звуков на нервную систему человека.

Большинство подобного рода работ объясняет положительный эффект от определенных звуков (классическая музыка, переливание воды и шум дождя, хрустальный звон и пр.) при терапии головных болей, стресса и состояний, на них основанных. Есть и исследования о звукотерапии при серьезных заболеваниях вроде онкологических.

Проблема всех их в том, что, несмотря на достаточно большой объем положительной статистики и наблюдений, фундаментальных и общепризнанных подтверждений тому, что звуковые волны влияют на состояние буквально каждого участка тела, пока нет. Поэтому на данный момент звукотерапию стоит рассматривать как форму медитации типа йоги и схожих с ней практик. В то же время следить за развитием исследований звука в нейроакустике и медицине в целом довольно любопытно.

Городской саундскейп: зачем нам исследовать мир ежедневных звуков

Неудивительно, что раз существуют доказательства того, что звуки положительно влияют на жизнь и здоровье человека, то наверняка есть и обратная сторона этого процесса. То есть должны быть звуки и, берем шире, вибрации, которые негативно сказываются на нас. В последние годы активнее прочих в этом направлении стали развиваться исследовательские проекты, посвященные экологии и антропологии звука. Причем не где-нибудь, а в городском пространстве, раз уж именно в городах проживает большинство людей.

Известно и доказано, что шумовое загрязнение — это не какая-то надуманная сложность в стиле «ох уж эти проблемы белых людей». От индустриального, технического шума значительная часть населения городов как минимум имеет проблемы со сном и различные неврозы.

Ведь, согласно аудиологии, болевой порог для звуков, воспринимаемых человеком, находится на отметке в 115–140 дБ. При постоянном повышении общего уровня шума теряется чувствительность уха и становится очень сложно распознать, что тот или иной звук негативно сказывается на здоровье.

Из-за более плотного трафика на дорогах и выросшего шума один только звук полицейской и пожарной сирены повысился на 40 дБ.
Другая сторона проблемы — распространение инфразвуковых частот, которые способны проходить через землю и стройматериалы, оставаясь незаметными для человеческого уха, но вызывая неприятные ощущения вроде головокружения и тошноты.

Полицейская сирена

Matt Popovich / Unsplash.com

Решение подобных проблем лежит в принятии мер к проектированию, дизайну и администрированию городских территорий. И на серьезном научном уровне это просчитывается в рамках направления «городской саундскейп». Его основы заложил эколог Р. Мюррей Шефер аж в 1969 г.

Основная идея этой области исследований заключалась в том, чтобы путем картографирования звуки каждого городского участка были зафиксированы. Это должно помочь как поддержанию звуковой гигиены в городе, так и пониманию аудиоидентичности конкретного города.

В США, Канаде и скандинавских странах, особенно в Швеции, исследованиям саундскейпа уделено весьма большое внимание.

В частности, сегодня в знаменитом Массачусетском технологическом институте есть отдельная лаборатория, которая занимается анализом городских звуков и их распределения, а также поиском методик управления шумом. Например, с мая 2015 г. ученые из этого вуза принимают от людей по всему миру двухминутные звуковые записи, или «аудиопортреты», их городских окрестностей. Кстати, по сей день любой желающий может прислать такую звуковую дорожку на сайт исследовательского проекта и сделать свой вклад в исследование городского саундскейпа.

 

На самом деле, современные ученые ведут прослушку буквально каждой букашки: под фиксацию различными датчиками и аудиолокаторами попадают и ультразвуковой свист летучих мышей, и топот копыт диких животных, и дрожь литосферных плит во время землетрясений, и даже «шум» взрывающихся звезд. По большому счету исследования звука зачастую представляют собой исследования вибраций, но ведь так увлекательно попытаться прислушаться к тому, что недоступно обычному уху.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

0 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться