世紀之謎：為什麼掰指關節會發出「咔咔」聲？

掰手指關節，這是許多人都有的一個有趣（令人煩躁）的小習慣。但或許令人感到意外的是，這麼平常的一個小動作竟暗藏著科學家爭論了近一個世紀的話題：這醉（煩）人的聲響究竟來自哪裡？自20世紀初起，科學家就一直試圖解釋這個問題。

1947年，來自英國的兩位科學家首次通過實驗對這一現象進行生物學解釋，他們用一系列的X射線來窺探在關節內部究竟發生了什麼。他們的結論是：這種聲響是由潤滑的滑液中冒出的氣泡引起的，屬於一種空穴現象（指溶於液體中的氣體分離出來產生氣泡的現象）。在隨後的近四分之一個世紀里，這種說法被廣泛地接受。

直到1971年，這個假設開始受到質疑，新的解釋把問題歸咎於氣泡的坍縮，而不是氣泡的形成。又過了40多年，另一項基於磁共振成像（MRI）的研究表明，氣泡形成假說一直都是解釋聲響的正確原因。他們的實時記錄顯示了隨著關節分離形成的空間，與那個熟悉的爆裂聲相吻合，整個過程的發生只需要0.31秒。

2015年的一項研究顯示了掰指關節前（左）後（右）關節處的變化。| 圖片來源：Kawchuk et al., 2015/PLoS One

但是，MRI在捕捉慢動作細節方面也並非最厲害，因而還是留下了一些供人爭論的空間。2015年，一位美國放射科醫生開始了相關的研究，他在一個工具箱中添加超聲波，來了解氣泡產生和爆裂的確切順序。從結果來看，他也傾向於聲音來自於空穴現象的解釋。

有了這麼些強有力的證據支持氣泡形成說，這案子就結了嗎？

似乎並沒有。

斯坦福大學的博士生 Vineeth Chandran Suja 和他在巴黎綜合理工大學的講師Abdul Bakarat 或許找到了這一問題的最終確切答案。他們的研究結果發表在3月29日的《科學報告》上。

開展這項研究時，Suja 仍在巴黎綜合理工大學，他說這個想法誕生於一個沮喪的時刻。當時，他必須為一門生物力學課程設計一個項目。但一直苦於沒有思路，直到他無意地掰響了指關節。於是他想：「這或許會很有趣。而且在所有跟掰響指關節有關的研究中，還沒有人用數學方法精確地描述過聲響到底是如何產生的。」 Suja認為這一定與手指在伸展時關節的某一種壓力下降有關，因此他決定進行數學計算。

典型的氣泡破裂可以通過三個方程描述。Suja 與 Barakat 一起發展了三個用於解釋隨手指與手骨之間關節鬆開時產生的聲音的方程。

第一個方程式描述了指節被掰開時，關節內部的壓力變化。

第二個方程是流體力學中的經典方程之一——Rayleigh-Plesset方程，它描述了氣泡的大小是如何隨著壓力的變化而變化。為了進行模擬，他們假設了在關節內產生的氣泡是圓形的（並且會保持圓形），其動力學也不會受周圍幾何環境的影響。

第三個方程是將氣泡的大小變化與那些產生了聲音的氣泡的大小變化聯繫起來。

這些方程組成了一個用於描述指關節聲響的完整數學模型。這也證實了破裂的聲音是由於壓力變化時關節內的流體中的微小氣泡塌陷所致。

也就是說，當我們掰響手指關節時，實際上做的是將關節拉開。這樣做會導致壓力的下降，讓氣泡出現在潤滑關節的液體中。在拉開關節的過程中，關節處會產生壓力變化會導致氣泡的大小波動得非常快，從而產生了掰手指關節時的聲音。

新的數學模型似乎告訴我們，只需要通過部分氣泡的坍縮就能製造這種聲音。因此，在關節被掰開後，微小的氣泡仍可以在關節液中四處流動。

這項研究表明，氣泡坍縮時產生的壓力會產生聲波，這種聲波可以用數學方法預測，同時他們還在三名志願者身上進行試驗，並測量到了這種聲波。這也證實了為什麼有些人無法掰響他們的指節：即如果你的關節之間有一個很大的空間，那麼液體中的壓力就不會降低到足以觸發聲音的地步。

這個過於日常的話題或許看起來真的微不足道，但這個問題或許對醫療保健具有潛在的重要性，它可以揭示由於疾病與年齡原因而對保護關節健康以及關節流動性產生的一些新見解。

參考鏈接：

https://www.sciencealert.com/mathematical-modelling-finger-joint-knuckle-cracking-cavitation-collapse

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-43572709

https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/03/why-knuckles-crack/556709/

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！