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肥皂泡的溫度比太陽還要高?事實是”聲致發光”現象

##感謝來自孤越靜的投稿##

還記得在某頭條上偶然看到過一個令人震驚的科學報導《肥皂泡的溫度比太陽還要高?,看到後很是吃驚。默默把這個似乎匪夷所思的冷知識記下來時,良好的批判性思維讓我保持了理智。決定親自查證,果然是我天真,差點就信了。

流言:

在肥皂泡泡突然破裂的一瞬間,它的溫度是多少呢?科學家測量了這個溫度,結果令他們震驚不已:當液態的肥皂泡猛地收縮破裂時,它內部的溫度大約為20000℃,比太陽的表面溫度還高4倍。(誤)

氣泡溫度高不假,的確有一種泡泡破裂時可以達到上萬度,但是這不是肥皂泡,而是水中的空穴在聲波作用下內爆的結果。這個假新聞其實來源是一個十分有趣的自然現象——聲致發光(SBSL)。

神奇的槍蝦

提到聲致發光,就不得不提到槍蝦。它是一種生活在地中海的生物,雖然沒有皮皮蝦那麽出名,但也很厲害的。

這種家夥長兩隻螯,一大一小,其中大螯可以長到蝦體一半的長度。與對稱的小螯不同,大螯有一邊不能移動,具有一個空穴;另一邊則是一個可移動的,剛好能插入空穴的“活塞”。換句話說,它帶了一把高壓水槍在身上,槍蝦也因此而得名。

大螯的肌肉強壯有力,當“活塞”合上的時候,從空穴中擠出來的水柱速度可達32m/s。快速通過的水柱與周圍相對靜止的水形成了一個低壓空間,低壓在水裡產生了微小的氣泡,緊接著,這些微小氣泡在周圍水體的壓力下會瞬間破裂。

氣泡破裂發出哢嗒哢的聲音,同時,在氣泡破裂的一瞬間,周圍水體的溫度可以達到驚人的近4500℃的高溫,十分接近太陽表面的溫度(5000多℃),並且會發出極短的一道光。這就是虛假報導裡聳人聽聞的那部分。

聲致發光

以上現象被叫作聲致發光(Sonoluminescence)。

最先發現這種現象的是德國科隆大學的 H·Frenzel 和 H·Schultes。當時研究者在顯影液裡放入超聲轉換器,試圖加快顯影速度,結果卻在底片上看到了大量的微小光斑。他們猜測這和氣泡有關,但沒有條件深入研究這些光斑是怎麽回事,因為氣泡存在的時間太短了。

當時是1934年,正是希特勒掌權,由於其他技術不夠發達,並沒有引起人們關注(也可能是1934年其他的破事太多了= =)。

1990年,由美國華盛頓大學 D· F·Gaitan 發現的單泡聲致發光現象(Single bubble sonoluminescence) 引起了廣泛討論,並由美國洛杉磯加州大學 S· J·Putterman 研究小組對這種現象的重要特徵進行了測定。

他們的辦法是:在高度去氣的純水裡,用注入氣泡的方法實現單泡聲致發光,這是一種穩定的、確定空間位置的、時間同步的,氣泡脈動發光過程。只是由於實驗條件的限制,沒能直接探測到發光氣泡內部經歷的過程,所以當時的解釋也是停留在假設的階段。

聲致發光的吸引人之處在於,它本身攜帶的一些特殊性質,以及它謎一樣的產生過程和原理。

直到20世紀末期我們才搞清楚它的基本原理:

當足夠強度的聲波通過液體的時候,會在液體裡產生空穴——可能是本來就有的小氣泡,也可能是通過空穴效應產生的新泡泡。這和肥皂泡完全是兩碼事。

氣泡破裂發生的聲致發光現象 | Credit: Baidu

另一方面,在氣泡坍塌過程中,溫度的升高導致各種化學反應開始發生。

大多數分子間會彼此反應,反應可以帶來能量。在足夠高的溫度下(比如太陽的溫度),水分子會被分解,化學鍵斷裂,能量被吸收。但當這些斷裂的化學鍵重新組合時,它們會釋放能量,這時就可能產生輕微的閃光。

現代研究還發現,聲致發光產生的光線可以形成連續的光譜,激波導致的軔致異塵餘生是目前較多人接受的單泡聲致發光機制。這一理論認為,溫度和壓強的升高是因為氣泡內匯聚產生了激波,於是氣體分子電離成為等離子體,其中自由電子的熱軔致異塵餘生導致了發光。

短暫的高溫

關於高溫的原因,比較有說服力的應該是2005年自然雜誌上 David J. Flannigan and Kenneth S. Suslick 的一篇文章。名字叫做 "Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation". Nature 434 (7029): 52–55.

他們在文章開頭說單泡聲致發光 (SBSL1-5) 是由氣泡壓縮時產生的極端溫度和壓力引起的,等離子體的出現觸發了發光現象。

由於發光時間太短,而且光會被周圍的液體吸收,光譜也並不完全。對此 David J. Flannigan 等人開發出了一種奇妙的新辦法,他們設法證明了氣泡裡有等離子態的物質,而其激發能為18電子伏,由此逆推出氣泡核心溫度接近 20000℃。這就是流言裡那個太陽溫度的來源,但其實並不是每一個氣泡都能達到這個溫度。

關於聲致發光的應用場景,雖然聽著很誘人,例如聲化學、量子物理等等,甚至有人提出,如此高的溫度(兩萬攝氏度)可以用來實現核聚變(已被論證過可能性極小)。這種高溫持續的時間實在是太短,目前並沒有什麽實際的應用。

當然,這一切都和肥皂泡毫無關係。

參考資料

1. 維基百科

2. David J. Flannigan and Kenneth S. Suslick 2005 "Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation". Nature 434 (7029): 52–55.

3. 聲致發光微氣泡內稠密等離子體的暗示 清華大學物理系 安宇

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