世纪之谜：为什么掰指关节会发出"咔咔"声？

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　　掰手指关节，这是许多人都有的一个有趣(令人烦躁)的小习惯。但或许令人感到意外的是，这么平常的一个小动作竟暗藏着科学家争论了近一个世纪的话题：这醉(烦)人的声响究竟来自哪里?自20世纪初起，科学家就一直试图解释这个问题。

　　1947年，来自英国的两位科学家首次通过实验对这一现象进行生物学解释，他们用一系列的X射线来窥探在关节内部究竟发生了什么。他们的结论是：这种声响是由润滑的滑液中冒出的气泡引起的，属于一种空穴现象(指溶于液体中的气体分离出来产生气泡的现象)。在随后的近四分之一个世纪里，这种说法被广泛地接受。

　　直到1971年，这个假设开始受到质疑，新的解释把问题归咎于气泡的坍缩，而不是气泡的形成。又过了40多年，另一项基于磁共振成像 (MRI) 的研究表明，气泡形成假说一直都是解释声响的正确原因。他们的实时记录显示随着关节分离形成的空间，与那个熟悉的爆裂声相吻合，整个过程的发生只需要0.31秒。

　　2015年的一项研究显示了掰指关节前(左)后(右)关节处的变化。

　　图片来源：Kawchuk et al., 2015/PLoS One

　　但是，MRI在捕捉慢动作细节方面也并非最厉害，因而还是留下了一些供人争论的空间。2015年，一位美国放射科医生开始了相关的研究，他在一个工具箱中添加超声波，来了解气泡产生和爆裂的确切顺序。从结果来看，他也倾向于声音来自于空穴现象的解释。

　　有了这么些强有力的证据支持气泡形成说，这案子就结了吗?

　　似乎并没有。

　　斯坦福大学的博士生 Vineeth Chandran Suja 和他在巴黎综合理工大学的讲师Abdul Bakarat 或许找到了这一问题的最终确切答案。他们的研究结果发表在3月29日的《科学报告》上。

　　开展这项研究时，Suja 仍在巴黎综合理工大学，他说这个想法诞生于一个沮丧的时刻。当时，他必须为一门生物力学课程设计一个项目，但一直苦于没有思路，直到他无意地掰响了指关节。于是他想：“这或许会很有趣。而且在所有跟掰响指关节有关的研究中，还没有人用数学方法精确地描述过声响到底是如何产生的。” Suja认为这一定与手指在伸展时关节的某一种压力下降有关，因此他决定进行数学计算。

　　典型的气泡破裂可以通过三个方程描述。Suja 与 Barakat 一起发展了三个用于解释随手指与手骨之间关节松开时产生的声音的方程。

　　  · 第一个方程式描述了指节被掰开时，关节内部的压力变化。

　　  · 第二个方程是流体力学中的经典方程之一—— Rayleigh-Plesset方程，它描述了气泡的大小是如何随着压力的变化而变化。为了进行模拟，他们假设了在关节内产生的气泡是圆形的(并且会保持圆形)，其动力学也不会受周围几何环境的影响。


　　  · 第三个方程是将气泡的大小变化与那些产生了声音的气泡的大小变化联系起来。


　　这些方程组成了一个用于描述指关节声响的完整数学模型，这也证实了破裂的声音是由于压力变化时关节内的流体中的微小气泡塌陷所致。

　　也就是说，当我们掰响手指关节时，实际上做的是将关节拉开。这样做会导致压力的下降，让气泡出现在润滑关节的液体中。在拉开关节的过程中，关节处会产生压力变化会导致气泡的大小波动得非常快，从而产生了掰手指关节时的声音。

　　新的数学模型似乎告诉我们，只需要通过部分气泡的坍缩就能制造这种声音。因此，在关节被掰开后，微小的气泡仍可以在关节液中四处流动。

　　这项研究表明，气泡坍缩时产生的压力会产生声波，这种声波可以用数学方法预测，同时他们还在三名志愿者身上进行试验，并测量到了这种声波。这也证实了为什么有些人无法掰响他们的指节：即如果你的关节之间有一个很大的空间，那么液体中的压力就不会降低到足以触发声音的地步。

　　这个过于日常的话题或许看起来真的微不足道，但这个问题或许对医疗保健具有潜在的重要性，它可以揭示由于疾病与年龄原因而对保护关节健康以及关节流动性产生的一些新见解。

　　参考链接：
　　https://www.nature.com/articles/s41598-018-22664-4
　　https://www.sciencealert.com/mat ... cavitation-collapse
　　http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-43572709
　　https://www.theatlantic.com/scie ... ckles-crack/556709/

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