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衝啊!音速小子—淺談音爆及光爆

Sonic

Source: wiki

「誒誒誒!音速小子,快點停,你再衝就要掉下懸崖了啊!!」,在懸崖邊的你緊張的說。

「蛤蛤蛤~~~什麼~~~我聽不清楚你在講什麼!!我的耳膜快破啦!!」,你聽到音速小子在一個他最擅長的360度旋轉的最高點說出這句話,伴隨著巨大的聲響,然後迅速的往下俯衝,略過你……

接著就像迪士尼動畫會有的橋段,他在懸崖外騰空了整整一秒鐘,一聲不響地,華麗退場。

事實上,這是你最後一次聽到他的聲音、見到他的身影。在悲傷的同時,你也想著:「為什麼他不聽我的話呢,為什麼!!!!還有他最後那句話是什麼意思?」

或許,就怪他被稱作「音速」小子吧。

(故事為劇情需要,純屬虛構)

音速小子到底怎麼了?

當然有很多可能導致上面這個故事發生。首先,音速小子可能像很多人一樣習慣邊跑步邊聽音樂,又剛好你叫住他的那一刻因為他放的音樂太大聲讓他耳膜快破了,所以也沒聽到你的聲音,造成悲劇的發生。

但是根據你的說法:那一刻,你聽見了巨大的聲響,大到應該不會是耳機發出來的。那麼我會推斷是因為音速小子正經歷因為超音速所帶來的「音爆」現象。

要了解音爆,我們先來看看超音速的歷史吧。1903年萊特兄弟成功完成了第一次人類的動力飛行,在那一次飛行中,他們用12秒的時間飛行了36.5公尺,時速是每小時10.9公里,這雖然是一個小學生跑步都能追上的速度,但這可是劃時代的重要事件。接著我們把時間快轉到二戰,戰爭的危急狀態讓人類的飛行技術突飛猛進。到戰爭末期,最優良的飛機甚至可以達到時速700公里以上!根據紀錄:當時就有飛行員在俯衝,接近音速飛行時,感受到不穩定的搖晃,甚至也有因此操作失當而機毀人亡的紀錄。

事實上,人類史上第一次的超音速飛行是在1947年10月14日完成的,24歲的查克·葉格(Charles Elwood Yeager)成為第一個飛得比聲音快的人,他在12800公尺的高空,使飛行速度達到每小時1078公里,相當於1.015馬赫[註二][註三]。在當時要突破音速,有許多地方有待當時的科學家突破,其中一項就是音爆的問題。

FA18

FA-18大黃蜂戰機以接近音速的速度飛行 Source: wiki

Sound boom

source: wiki

究竟什麼是音爆呢?簡單來說,音爆就是:當物體的速度,超過它所發出聲音的速度時,周圍的空氣會產生一個壓力非常大的錐狀區域(被稱為馬赫錐),造成氣流的不穩定,然後巨大的壓力差會產生巨大的聲響,就像上圖及左圖的示意圖這樣。順帶一提,子彈飛行產生的聲響也是音爆的例子之一。

哎呀,只不過老實說,超音速飛機與我們的日常生活確實有點遠,可能有點難想像,但其實這個現象在日常生活中也不難觀察到。

從湖面看音速小子的悲劇

大家都有在湖邊玩耍、看看大自然的經驗吧,看著湖面上自由自在悠游的水上動物們,恨不得自己也長了個蹼,能夠跳下去跟著他們一起游泳,把心理的壓力一掃而光。

鴨子游泳產生的水波紋

讓我們觀察一下那隻鴨子身後的水波,事實上,因為鴨子的行進速度比水波的波速還要快,所以在它的後面會有三角狀的水波紋產生。

對應超音速飛機音爆的例子:因為飛機的行進速度比聲波的波速還要快,所以在機身後面會有錐(因為聲波是向四面八方傳遞)狀的衝擊波產生

有沒有覺得兩句話很像呢?確實,以上所說的兩個現象基本上是源於同一個物理概念。

知道了音爆 那你知道還有光爆嗎

光爆聽起來……怎麼那麼……像什麼會把人燒掉的恐怖武器啊!

別亂想。光爆其實就是上面兩個現象的延伸,只不過這次不是發生在聲音,也不是發生在湖面,而是光!

光爆這個現象是由1934年由蘇聯物理學家契忍可夫(Pavel Alekseyevich Cherenkov)發現的,正式的名稱叫做:契忍可夫輻射Cherenkov radiation),有的人會稱呼他為光爆,這種輻射的特點就是:很美的藍色輝光

Cherenkov radiation

Source:Wikipedia

聰明、好奇的你想了一下,說:「你別騙人了,愛因斯坦的狹義相對論告訴我們:一個物體的速度不可能比他所發出來的光還要快!」

事實上,這個現象的確沒有違反愛因斯坦偉大的狹義相對論。只不過他們用了一個小技巧:這個實驗不會是在真空或者是空氣中這些光行進很快的地方進行, 他們把整個實驗放到一些光跑得比較慢的地方(例如在生活中常見的水中,光的行進速度只剩下原本的大約四分之三),如此一來,科學家們就可以利用加速器,把粒子加速到比他自己發出的光還要快的速度,接著才能順利觀察到這個現象。

在金屬表面產生的光爆

surfingawake

Source: phys.org

2014年,哈佛大學的研究團隊又有了新的突破,他們成功製造出跟光爆類似的現象,只不過這次的波是行進在金屬表面,以一種被稱為表面電漿子(Surface plasmons)傳遞,他們把這個現象叫作"Cherenkov surface plasmon wakes"。

這個實驗室的教授,費德里科·卡帕索(Federico Capasso)說:「傳統的光學研究成果讓我們製造出全像圖、Google Glass、 LED燈等等的科技產品;但在未來,奈米光學Nanophotonics)將會是奈米科技的一項重要領域。這次研究成果讓我們更有能力能控制奈米尺度下的光。」

在裡面的研究生,同時也是這篇論文的第一作者丹尼爾(Daniel Wintz)說:「要能夠在比光的波長還小的尺度下控制光是一件非常困難的事情。重要的是我們不但成功製造、觀測到這個現象,更找到了幾個不同的方法來控制它。」

不只是產生這個現象難,就連要觀察也很難,因為事實上,表面電漿子是看不到的,研究團隊必須想辦法把表面電光子從金屬表面“抽”出來,然後經過光纖,才能紀錄到影像。

所以說,其實從水波、聲波一直到光波以及以表面電漿子傳遞的波,這些不同樣貌的現象其實都是同一個物理現象所主導,只是我們平常沒有發現其中的關聯性而已!

備註

  1. 維基百科-萊特兄弟
  2. 1馬赫為一倍的音速,詳見維基百科-馬赫
  3. 這個紀錄有些許爭議,見維基百科-查克·葉格,但不管如何,葉格無庸置疑是第一個在有計劃性、嚴密監控的情況下,靠著飛機自身的動力而實際且確實地突破音障的人類。

參考文獻

  1. Surfing a wake of light: Researchers observe and control light wakes for the first time
  2. Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial Nature Nanotechnology [2015]

 

 

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關於作者

金延儒

編輯實習生,正在辛苦的念電機系。一直不了解自己以及整個世界,所以一直好奇著。雖然身處在一個物質爆炸的時代,但相信人與人之間的情感才是最真實可貴的。