Science Who #1 – Technologia soniczna

Jak wykorzystujemy dźwiękową technologię w (prawie) codziennym życiu? I co wspólnego ma śrubokręt soniczny z nerkami, piramidami i szczoteczką do zębów?

Wiecie dlaczego science-fiction nazywa się science-fiction? Bo miesza naukę z fikcją (serio, serio). Innymi słowy, twórcy s-f korzystają najczęściej z najnowszych teorii i osiągnięć naukowych, ale i naukowcy mogą oprzeć się czasami na wyobraźni pisarzy i scenarzystów – prawdopodobnie większość z nas słyszała o tym, że pierwsze przenośne telefony Motoroli wyglądały prawie identycznie, jak komunikatory ze Star Treka (dla młodszych i niezorientowanych – Star Trek istnieje zdecydowanie dłużej niż telefony komórkowe). Wracając jednak do Doktora Who – jako serial, przynajmniej z nazwy i założenia, fantastycznonaukowy może być świetnym przykładem tego, jak nauka i popkultura inspirują się nawzajem. Siedzicie wygodnie? Geronimo!

Ostrzeżenie: felieton nie jest pracą naukową i opiera się głównie na gdybaniu autorki, która starała się weryfikować wszystkie przywoływane tutaj fakty, ale jest (niestety) jedynie człowiekiem i bynajmniej nie doktorem fizyki. Masz inną teorię – daj znać w komentarzach!

Zacznijmy od czegoś naprawdę fascynującego – przyjrzyjmy się bliżej śrubokrętowi sonicznemu. Prawdopodobnie każdy z nas potrafi wymienić przynajmniej kilka zastosowań tego pożytecznego narzędzia. Otwiera zamki (choć nie w drewnianych drzwiach), wybucha rzeczy, scala rzeczy, uruchamia teleporty, działa na większość urządzeń elektronicznych, pozwala na przeskanowanie żywego organizmu, działa jako elektromagnes, odczytuje poziomy promieniowania… I prawdopodobnie ma jeszcze wiele innych, pożytecznych zastosowań. Ponieważ technologia Władców Czasu nie jest ogólnodostępna na naszej planecie (a serwery UNIT-u są dobrze strzeżone) nie jesteśmy w stanie opisać dokładnie wszystkich mechanizmów jego działania, skupmy się zatem na tym co ujawnia sama nazwa – „soniczny”.

Pojęcie technologii sonicznej (w innym tłumaczeniu dźwiękowej – sonic z j. ang. oznacza właśnie „dźwiękowy”) pojawiło się w serialu kilkukrotnie, za każdym razem odnosząc się do technologii opartej na wykorzystaniu dźwięku. Wnioskujemy stąd, iż zasada działania śrubokrętu powinna również opierać się, zgodnie z nazwą, na wydawaniu dźwięków, czyli inaczej na tworzeniu fal akustycznych. W dużym skrócie – fala akustyczna powstaje zazwyczaj po przepuszczeniu strumienia powietrza przez źródło dźwięku – na przykład drgającą membranę głośnika lub ludzką krtań (w przypadku powstawania mowy). Drgania owej membrany, powodują rozchodzące się falami miejscowe zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Jeśli fala akustyczna o konkretnej częstotliwości drgań dotrze do ciała posiadającego podobną częstotliwość drgań własnych, energia fali jest przekazywana ciału, które zaczyna drgać (zjawisko to nosi nazwę rezonansu akustycznego). W ten sposób na przykład drgać zaczyna nasza błona bębenkowa, gdy dotrze do niej przenoszony przez fale akustyczne dźwięk. Użycie fali akustycznej o odpowiedniej częstotliwości i dostatecznie dużej energii pozwala nam teoretycznie w dowolny sposób oddziaływać na wybrane ciało.* W ten właśnie sposób mógłby działać doktorowy śrubokręt – generując falę akustyczną o właściwie dobranej częstotliwości, wykorzystywałby energię owej fali do, przykładowo, zmiany położenia zapadki w zamku w drzwiach, wprawienia cząsteczek w drgania lub wywołania reakcji łańcuchowej.**

Dobrze, teoretycznie wiemy już jak działa soniczny śrubokręt. Prawdopodobnie ciśnie wam się więc na usta pytanie: czy skoro działanie śrubokrętu da się wytłumaczyć nawet humanistom, to czy potrafimy (jako ludzkość) go stworzyć i wykorzystywać?

Odpowiedź na to pytanie nie jest tak prosta, jak mogłoby się wydawać. Głównym czynnikiem jaki musimy wziąć pod uwagę jest oczywista rozbieżność między tym, co naukowcy mogą przewidzieć, a tym, co można udowodnić. Już od wielu lat wiemy co jest potrzebne do podróży międzygwiezdnych, nie posiadamy jednak technologii, która by to umożliwiła (na takich nieudowodnionych jeszcze teoriach opiera się zresztą większość s-f ). Podobnie przedstawia się sprawa z naszym śrubokrętem – stworzenie urządzenia o tak małych rozmiarach, potrafiącego wyliczyć w ułamku sekundy odpowiednią częstotliwość i wygenerować falę o tak dużej energii, przerasta na razie nasze możliwości. Nie oznacza to jednak oczywiście, że w przyszłości nie będzie to możliwe (wracamy znowu do przykładu komunikatorów ze Star Treka, które twórcom wydawały się być właściwe odległej przyszłości – spójrzcie teraz na wasze smartfony). Z drugiej strony już dzisiaj potrafimy odtworzyć kilka pojedynczych funkcji śrubokrętu, takich jak skanowanie organizmów żywych (słyszeliście kiedyś o USG?) lub przesuwanie przedmiotów przy pomocy dźwięku. Potrafimy nawet coś, co dla pojedynczego doktorowego śrubokrętu pozostaje raczej niedostępne – to znaczy utrzymywać przedmioty w powietrzu przy pomocy dwóch źródeł fal akustycznych (dowód na to znajdziecie choćby w tym filmiku). W ramach ciekawostki – istnieje nawet teoria, że zjawisko rezonansu akustycznego znane było już w Starożytnym Egipcie, na co dowodem ma być specyficzna budowa piramid, których komnaty ponoć nieprzypadkowo obdarzone są charakterystyczną akustyką. Podobne dyskusje toczy się w związku z całkiem niedawny odkryciem wspaniałej akustyki Stonehenge. Niektórzy badacze posuwają się nawet do stwierdzenia, iż starożytni wykorzystywali potężne fale dźwiękowe do przesuwania i lewitowania bloków skalnych, co ma wyjaśniać wspaniałe budowle z tamtego okresu (choć wiecie, mogły być też zbudowane przez mutantów lub kosmitów). W każdym razie, choć nie potrafimy jeszcze stworzyć wiernej i działającej repliki doktorowego śrubokrętu, nie oznacza to, że technologia soniczna nie jest przez nas wykorzystywana, co postaram się poniżej udowodnić.

Zacznijmy może od jednej z ważniejszych i prężniej się rozwijających dziedzin nauki – medycyny. W medycynie wykorzystujemy ultradźwięki (czyli fale akustyczne o częstotliwości niedostępnej dla ludzkiego ucha) w dwóch obszarach – diagnostyce (na przykład wspomniane już wcześniej USG) oraz terapii. USG jest skrótem od słowa ultrasonografia, inaczej – obrazowanie przy pomocy ultradźwięków. Urządzenie do tego wykorzystywane, tak zwany ultrasonograf, generuje ultradźwięki w formie krótkich impulsów, które są pochłaniane bądź odbijane przez poszczególne tkanki. Odbite fale powracają do ultrasonografu, gdzie są wzmacniane i przetwarzane na obraz. Proste? A jakie przydatne! Większość z nas zetknęła się lub zetknie się w swoim życiu z tym pożytecznym urządzeniem. W terapii z kolei, ultradźwięki wykorzystujemy powszechnie: na przykład przy likwidowaniu przykurczów, pobudzaniu procesów zamykania się ran czy w rozbijaniu złogów wapniowych (tak zwanych „kamieni”) w nerkach. Oprócz tego, na etapie badań klinicznych znajduje się kilka metod niszczenia komórek nowotworowych przy pomocy dźwięków, na przykład przy raku prostaty.

Wydaje wam się, że trochę za bardzo odchodzimy od głównego tematu artykułu? Nic bardziej mylnego. W 2012 roku szkoccy naukowcy z Uniwersytetu Dundee ogłosili sukces eksperymentu, który nazwali nieoficjalnie właśnie „eksperymentem śrubokrętu sonicznego”. Stworzyli oni urządzenie, które potrafi przy pomocy ultradźwięków poruszać i obracać umieszczony w wodzie dysk w dokładnie zaplanowany przez naukowców sposób. Według jednego z członków zespołu, dr Mike’a MacDonalda, urządzenie to może zapoczątkować prawdziwą rewolucję wśród metod nieinwazyjnej chirurgii, czy sposobów dostarczania leków bezpośrednio do komórek – gdybyśmy tylko zamiast dyskiem poruszali precyzyjnie pojedyncze komórki, cząsteczki leku lub niewielkie narzędzia chirurgiczne… Równocześnie, szkocki zespół udowodnił to, co w teorii wiedzieliśmy już od dawna – że dźwięk może nie tylko przesuwać, ale i w kontrolowany sposób poruszać i obracać przedmioty. Brzmi coraz bardziej jak serial science fiction, prawda?***

Co jeszcze potrafimy robić przy pomocy dźwięków lub ultradźwięków? Na uwagę zasługuje na pewno sonar, czyli urządzenie wykorzystujące fale dźwiękowe do nawigacji podwodnej i określania pozycji obiektów. Jego nazwa jest akronimem słów„SOund Navigation And Ranging” – z angielskiego „nawigacja dźwiękowa i pomiar odległości”. Działa ono analogicznie do ultrasonografu lub echolokacji (wykorzystywanej na przykład przez nietoperze), to znaczy generuje fale akustyczne i odbiera fale odbite od otoczenia, przetwarzając je na obraz. Choć pierwsze tego typu urządzenie opisał już Leonardo da Vinci (skonstruował on tubę, dzięki której można było słuchać odgłosów z odległych statków), impulsem do skonstruowania urządzenia podobnego do dzisiejszego sonaru była słynna katastrofa Titanica w 1912 roku. Wrak statku odnaleziono wprawdzie dopiero w latach osiemdziesiątych, udało się to jednak między innymi dzięki wykorzystaniu udoskonalonej wersji sonaru.

Na sam koniec zostawiłam natomiast moje ulubione wykorzystanie technologii sonicznej. Pamiętacie, jak w odcinku Lokator („The Lodger”) Doktor wybiega w pośpiechu spod prysznica, łapiąc zamiast swojego śrubokrętu szczoteczkę do zębów? Jestem pewna, że pamiętacie. Otóż okazuje się, że pomyłka Doktora wcale nie była tak duża, jak mogłoby się wydawać… Od pewnego czasu na rynku dostępne są bowiem tak zwane soniczne szczoteczki do zębów. Ich działanie jest zaskakująco podobne do działania sonicznego śrubokrętu. Generują one bowiem fale akustycznej o słyszalnej częstotliwości, które rozchodzą się w wypełniającej jamę ustnej mieszaninie śliny i pasty, powodując tak zwany efekt kawitacji. W dużym uproszczeniu polega on na powstawaniu, pod wpływem różnic ciśnienia w płynie, niewielkich bąbelków powietrza, które bombardują powierzchnię zęba, usuwając osady, nawet w pewnej odległości od włosia szczoteczki. Według producentów sonicznych szczoteczek opóźniają one również rozwój próchnicy, poprzez uszkadzanie struktur, dzięki którym bakterie przyczepiają się do powierzchni zęba oraz dostarczanie w pobliże zęba tlenu (zabójczego dla bakterii beztlenowych). Jedyną wadą szczoteczek jest ich cena, wahająca się od dwustu do trzech tysięcy złotych (co może być powodem, dla którego nie są jeszcze zbyt popularne w Polsce). W każdym razie, z pewnością jest to coś, na co warto zwrócić uwagę przy rozmowie o sonicznej technologii.

Oczywiście w tekście tym zajęliśmy się jedynie takim wykorzystaniem technologii sonicznej, z którym większość z nas może zetknąć się w przyszłości. Kwestie bardziej techniczne pozostawiam jeszcze większym geekom, mam jednak nadzieję, że choć kilka osób zachęciłam do szukania w Doktorze Who inspiracji do zdobywania wiedzy o świecie. Bo wiecie. Nauka jest cool.

Serdecznie zachęcam do wypowiadania się w komentarzach. Gdyby było coś o czym chcecie poczytać w kontekście mieszania nauki z fikcją, dajce znać. Gdybyście poczuli nagłą chęć zakupienia choćby atrapy sonicznego śrubokrętu, naszą recenzję znajdziecie tutaj. Ostatnio pisaliśmy natomiast o nowej książce BBC Books, mającej być pierwszym oficjalnym przewodnikiem po naukowej stronie Doktora Who.

* wibbly-wobbly, spacey-wacey, według odwiecznych praw fizyki „dźwięk” może działać na dowolne przedmioty analogicznie do sposobu w jaki człowiek działa na popychaną przez siebie huśtawkę. Jeszcze inaczej – znacie to uczucie, gdy na koncercie w pobliżu głośników czujecie, jakby fala basów właśnie przeleciała przez wasze ciało, wprawiając wszystkie organy wewnętrzne w drżenie? Następnym razem będziecie wiedzieć, że uderzają w was fale akustyczne,  a wy no cóż… faktycznie drżycie.

** prawdopodobnym powodem, dla którego śrubokręt nie działa na drewno mógłby być fakt, iż każdy rodzaj drewna rezonuje w inny sposób i śrubokręt może nie posiadać dostatecznie dużej mocy obliczeniowej, aby wyliczyć odpowiednią częstotliwość fali dla każdego rodzaju drewna – ale jest to jedynie moja teoria.

*** więcej na temat szkockiego eksperymentu tutaj i tutaj