超声波在水中产生的气泡(声致发光)在短暂的时间内达到极高的温度和压力。正如最近的电影《连锁反应》中暗示的那样,这些条件能否引发或促进核聚变?

关于物理学的详细讨论可以在塞思·J·普特曼的文章《声致发光:声音变光》(大众科学,1995年2月)中找到。文章中,作者概述了对该现象的不同解释,与下文给出的解释不同,尽管他同意在声致发光气泡中发生聚变的可能性微乎其微。

约翰·霍普金斯大学机械工程系的安德烈亚·普罗斯佩雷蒂详细研究了这个问题。他回应说

“首先必须强调的是,所指的‘极高温度’至少目前而言,只是推测。虽然许多研究人员会承认高达 10,000 开尔文的温度(这对于核聚变来说太低了),但只有少数人会认同数百万度范围内的温度。表明脉动气泡内部存在如此极端条件的计算是基于相当极端的理想化假设。”


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“最根本的假设是,气泡在其径向振荡期间保持绝对球形。从理论上讲,有很多理由怀疑这个前提:一个坍缩的球体非常不稳定(这就是为什么试图通过用强大的激光脉冲引起充满气体的微型气球内爆来产生聚变的方法迄今为止都失败了),并且可能会形成液态射流,横跨气泡。”

“此外,实验表明,气泡发出的光具有微弱的方向不对称性,这与完美的球形不相容。因此,虽然根据目前的知识,绝对不可能排除在脉动气泡内部发生核反应的可能性,但这种反应的实际发生,至少可以肯定地说,是令人怀疑的。”

约翰·霍普金斯大学还提供了关于普罗斯佩雷蒂博士工作的官方声明

声致发光,即在高音调声波场中气泡发出的令人费解的光芒,可能是由一股微小的液态射流引起的,这股射流以超音速穿过气泡内部,撞击到另一侧,一位约翰·霍普金斯大学的研究人员提出。国际公认的气泡机械特性专家安德烈亚·普罗斯佩雷蒂说,在这个强大的射流撞击气泡壁的点,它会“断裂”液体,以光的形式释放能量。

普罗斯佩雷蒂的理论发表在 1997 年 4 月的《美国声学学会杂志》上。他的论文为一种广为接受的观点提供了另一种解释,即气泡发光是因为冲击波在气泡收缩时将能量集中在其中心。

他的理论也打消了一些研究人员的希望,即声致发光产生足够多的压力和热量来产生核聚变,这是一种潜在的廉价、清洁能源。一些科学家推测,声致发光期间的气泡温度超过 200 万华氏度,接近聚变所需的水平。这个想法成为基努·里维斯主演的电影《连锁反应》的关键情节。但如果普罗斯佩雷蒂的理论成立,气泡内部的热量将达到约 10,000 华氏度的峰值,这与太阳表面的水平相当。“这足以解释化学活性,但远低于产生核聚变所需的量,”普罗斯佩雷蒂说,他是霍普金斯大学查尔斯·A·米勒小杰出机械工程教授。

声致发光是由两位德国物理学家于 1934 年发现的,他们将强大的超声波发生器浸入盛水的容器中,产生了一团发出光芒的微小气泡。科学家们对此很感兴趣,但发现很难详细研究这种难以控制的短暂气泡群。然而,在 1989 年,时任密西西比大学教授的劳伦斯·克拉姆和他的研究生费利佩·盖坦,能够在水柱内的声场中捕获的单个气泡中诱导出声致发光。

从那时起,科学家们已经能够更仔细地研究这种现象。令他们惊讶的是,他们意识到这种“单气泡”发光与 60 年前首次观察到的“多气泡”现象不同,并且——事实证明——更加神秘。例如,闪光持续的时间非常短,只有几万亿分之一秒。此外,该现象对液体的性质、纯度和温度以及其中溶解的气体的存在极其敏感。

穿过液体的声波导致气泡反复压缩和膨胀。在其最大点,气泡的直径大约相当于人类头发的直径。科学家们认为,声音能量在气泡的压缩阶段被集中,然后在气泡尺寸最小的点附近以光的形式释放出来。但确切的机制仍然是个谜。

普罗斯佩雷蒂在他的新论文中说,收缩气泡内的冲击波不太可能引发声致发光,因为气泡需要保持近乎完美的球形。“我认为气泡绝对不可能保持球形,”他说。“在声场中,有一种非常明确的机制可以阻止这种情况发生。流体会推动一股射流,一根液体的手指,穿过气泡,撞击另一侧。你在声致发光中看到的是这种‘水锤’的初始结果。”这股射流以每小时 4,000 英里或超过空气中音速五倍的速度移动,撞击速度如此之快,以至于水分子没有时间从撞击点流走。相反,液体会断裂。“例如,这发生在橡皮泥上,”普罗斯佩雷蒂说。“如果你慢慢拉动它,它只会拉伸或流动。但如果你真的用力拉它,它就会断裂,你就会得到脆性断裂。”

冰甚至冬青救生圈糖果有时会在破裂时发光,霍普金斯大学的研究人员认为,水分子也可能产生同样的效果。他的理论有望解释该现象的许多方面。例如,明亮的光发射需要少量溶解在液体中的惰性气体,如氙气、氩气或氦气,因为普罗斯佩雷蒂认为,这些惰性原子会在水的类晶体结构中产生缺陷或弱点,为裂缝开始提供立足点。在他的论文中,普罗斯佩雷蒂敦促其他研究人员测试他的理论。他为此目的提出了几个实验室实验,包括在受控环境中向水中发射超高速子弹或液态射流,以观察它是否会产生发光现象。

华盛顿大学应用物理实验室的劳伦斯·A·克拉姆对上述回应进行了扩展

“如果要考虑声致发光产生核反应的可能性,首先考虑一些简单的物理学原理是有帮助的,特别是与这些各种系统相关的能量水平。”

“当声波在流体中传播时,波中的能量密度非常小。我们认为喷气式飞机的声音非常响亮,更多的是与我们非凡的听觉系统的灵敏度有关,而不是与声波本身中的能量有关。我们的耳朵非常灵敏,以至于新生婴儿可以听到埃级别的分子位移——大约是一个原子的直径。即使我们随着年龄的增长失去了这种灵敏度,我们成年人的耳朵仍然可以探测到纳米级别的分子位移。因此,如果考虑能够产生声致发光的声场中的能量密度,就会发现它非常小——大约为每分子 10-11 电子伏特。电子伏特可能看起来是一个奇怪的单位,但稍后我们将看到为什么它是一个方便的单位。”

“当声场在水等液体中传播时,液体的分子通过相对较强的分子键结合在一起。因此,在传播声场中存在的负压很难撕裂水——而且实际上永远不会发生。实际发生的是,声场与水中可能存在的任何小气泡相互作用,并导致气泡在声场负压部分通过期间急剧增长——水基本上‘沸腾’了——因为压力低于蒸汽压。在负压循环期间,气泡可以增长到原始体积的许多倍——例如,体积增加 1,000 倍。”

“当声场最终变为正压时,压力现在高于蒸汽压;蒸汽迅速凝结,并且在气泡增长过程中给予气泡的所有能量都可以集中到一个小区域,因为气泡被驱动到内爆坍缩。这个过程称为声空化。由于这种内爆坍缩主要由气泡周围液体的惯性主导,并且凝结的蒸汽提供的刚度很小(仅为气泡内包含的少量残留气体),因此能量密度可以变得比最初存在于声场中的能量密度大得多。能量浓度现在非常高,以至于气泡内包含的残留气体被加热到白炽温度并发出光。这个过程称为声致发光。由于这些电磁辐射约为一个电子伏特,并且它们可能来自单个分子、原子或电子,我们现在可以说能量浓度约为每分子一个电子伏特——增加了约 1011 倍。”

“电子伏特量级的能量在原子基础上是典型的,并且对应于约 10,000 开尔文的有效温度。当然,这是一个相当高的温度,并且会影响化学反应。因此,声致发光通常与“声化学”或“超声化学”相关。诸如传播声场这样的相当良性的机械机制可以产生原子反应这一事实非常引人注目,并引起了相当大的科学关注(参见肯尼斯·S·苏斯利克在大众科学第 260 卷第 2 期,第 80 页中的“超声波的化学效应”

86 [或对于非美国读者为 62-68 页];1989 年 2 月)。

“尽管每分子电子伏特量级的能量对于我们的宏观世界来说相对较大,但它们是原子世界中典型的反应能量。另一方面,当我们考虑热核聚变时,我们需要从原子尺度转向核尺度。由于质子或中子比原子小约一百万倍,因此核裂变和聚变通常需要数百万电子伏特 (MeV) 的能量。读者提出的问题的实质本质上是:这种良性的机械声场现在能否在核水平上相互作用?当然,我们的直接反应是我们的能量仍然小了六个数量级,并且声致发光不可能发生核聚变。”

“鉴于受控聚变因我们几乎取之不尽用之不竭的氢作为聚变燃料而如此具有吸引力,并且旨在利用这种能量的现有装置尺寸和成本都非常巨大,因此似乎有必要看看是否有某种机制可以将能量密度再提高六个数量级。当确定有强烈的迹象表明坍缩气泡可以在坍缩气泡内部的气体中产生内爆冲击波时,就出现了一线希望。这种内爆冲击波可以进一步压缩气泡内部的内容物;事实上,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的威廉·C·莫斯和他的同事们已经获得了使用内爆冲击波可达到的温度的理论估计值,而这些值接近核聚变所需的温度。”

“内爆冲击波有可能吗?加利福尼亚大学洛杉矶分校的塞思·普特曼和他的同事们测量了气泡界面的速度,并确定它可以达到未扰动气体中声速的四到五倍量级的值。这些数据看起来非常有希望。然而,安德烈亚·普罗斯佩雷蒂——请参阅他在‘请教专家’中的最新评论——建议,气泡必须保持球形才能使冲击波产生很大的强度——他认为这不太可能。华盛顿大学的汤姆·马图拉和他的同事们在气泡坍缩后观察到液体中的冲击波,这可能是气体中冲击波的结果。这种水传播冲击波的振幅值与假设它起源于气体内部的预测值相对应,因此还有其他证据表明存在这种效应。”

“目前声致发光研究的最新进展是,研究人员正在努力了解气泡坍缩过程,并寻找气泡本身内部冲击波的任何证据。”

“很难理解电影《连锁反应》的编剧在他们的剧本中想要表达什么。当然,其中的科学非常糟糕,让任何严肃的科学家都感到厌恶。他们关于声致发光产生氢气(而不是氧气)的假设有点傻。在电影中,发生了‘连锁反应’,但很难确定这是否是核连锁反应,或者只是一个大型氢气爆炸。而基努·里维斯能够在摩托车上跑赢爆炸产生的冲击波这一事实表明,爆炸实际上相当温和——尽管它确实摧毁了几个街区。”

“作为一名参与声致发光研究的人,我特别失望的是,编剧们真的搞砸了科学。我认为他们低估了公众,如果科学性再真实一点,就会在互联网上的年轻人中引起爆炸性的兴趣,并大大提高电影院的票房。令我沮丧的是,描绘医生和律师的电影和电视节目都制作得非常真实,但当涉及到物理或化学时,好莱坞似乎还没有超过三年级水平!”

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