关于超声波引发的核聚变
超声波核聚变
2005年8月20日
你大概知道飞机是如何飞行的吧？如果不知道，可以阅读《如果能飞？》，又名《吸气吹气》（点击下载PDF文件）。机翼上方形成低压区，也就是所谓的“上翼面”。
飞机机翼
顺便问一句，这个机翼表面的低压大约有多大？假设是一架单座小型旅游飞机，载重300公斤，机翼面积18平方米。这样算下来，单位面积载荷为每平方米16公斤，即每平方厘米1.6克。而海平面的大气压约为每平方厘米1000克，因此机翼上翼面与下翼面之间的平均压差约为几毫巴。这解释了为何用蒙皮机翼的飞机也能飞行，也说明为什么不应踩踏机翼（除非是专门设计供人踩踏的区域），否则会直接踩穿。
那么在水中情况如何？水的密度是空气的1000倍。在相同速度下，我们只需更小的“机翼”就能“在水中飞行”。这些装置被称为“水翼”。
机翼与水翼
既然我们能依靠如此小的表面实现浮力，说明压强变化要大得多。设想这些水翼非常接近水面，处于压强接近每平方厘米1公斤的环境中。右侧的船只依靠的压强差，远大于飞机机翼周围的压强差。这也是为什么水翼不用蒙皮，而是用坚固结实的钢材制成。
那么，为什么机翼上翼面会形成低压区呢？在水中，这个现象更容易理解。流体质量撞击机翼的“驻点”后，随即加速流动。在此过程中，流体获得超速，同时受到离心力的影响。
当液体受到低压作用时会发生什么？我们可以通过一个气缸和活塞来实现。如果拉动活塞使液体内部压强降至低于当前温度下水的饱和蒸气压，就会形成小气泡。这些气泡与香槟酒中的气泡完全不同——香槟气泡源于溶解的气体。而这些气泡内部充满的是水蒸气。这就是所谓的“空化现象”。
空化现象
下图是该现象在气缸中产生的照片。
空化气泡
1917年，英国海军部邀请物理学家威廉·斯特拉特（即拉塞福勋爵）解决一个奇怪的问题：皇家海军舰船的青铜螺旋桨全都受损，布满小孔，但它们几乎还是全新的。海军将领们不禁怀疑，海洋中是否潜藏着能腐蚀螺旋桨金属的未知寄生生物。以下是较近期的一张照片，展示了空化现象在离心泵叶轮上造成的破坏。
空化导致离心泵的损坏，相当惊人，对吧？
这张特写照片显示了金属表面出现的“蚀点”。
青铜叶轮上的空化损伤
与英国海军最初的猜测相反，这并非某种未知的“水蜂”所致。拉塞福勋爵经过计算后给出了合理解释：在螺旋桨叶片上产生的低压区，局部压强已低于水的饱和蒸气压，导致水局部沸腾。有个细节：在常温下，水的饱和蒸气压是多少？
答案是：几帕斯卡，即约0.01毫巴。液压系统中叶片周围形成的压强差非常剧烈。这正是我们能用如此微小的螺旋桨推动船外机的原因。下图是一片旋转中的螺旋桨叶片，箭头所指位置正是空化现象产生的水蒸气气泡。
旋转螺旋桨叶片前缘附近的空化现象
可以看到，从叶片边缘处产生了一串水蒸气气泡。但它们的成因不同，源于边缘涡流，与飞机机翼末端形成的凝结尾迹类似。此处暂不讨论。我们来看螺旋桨叶片上翼面压强的变化趋势：
螺旋桨叶片上翼面压强变化
该曲线仅为示意。可以看到，沿着翼型弦长方向，压强迅速下降。当压强低于液体（水）的饱和蒸气压时，气泡开始形成，并随着压强持续下降而不断膨胀。即使后续翼型部分相对于环境压强仍处于低压区，压强最终仍会上升，重新超过水的饱和蒸气压。此时水蒸气趋于消失，这正是照片中所见的现象。
众所周知，在流体力学中，膨胀过程与压缩过程的机制完全不同。当压强开始回升时，气泡壁如同一个球形活塞，对内部气体（水蒸气）施加压力。如果气泡坍缩速度超过水蒸气中的声速（确实如此），就会产生一个球形冲击波，向物体几何中心汇聚，携带巨大能量，足以在叶片金属表面造成“蚀点”，最终导致类似我们之前在泵叶轮上看到的严重破坏。
空化现象造成损伤的原理
人们早已了解所谓的“空心装药”系统。这种系统将炸药均匀布置在锥形壳体表面（使用传播速度极快的炸药）。锥面会发射出强烈的冲击波，能量沿轴线聚焦。于是形成一个“尖刺”，能够穿透厚度接近锥体直径的钢板（但穿孔直径远小于锥体）。气泡的坍缩过程，正如克里斯托夫·塔迪提醒我的那样，类似于球形冲击波能量的聚焦。如果我们将空心装药设计为球形而非锥形空腔，就能将能量高度集中在球心的聚焦点上。这正是空化现象的原理。
如前所述，空化现象于1917年被发现。1930年，人们已能产生足够强烈的超声波。1934年，科隆大学出现了一个令人震惊的新现象，让物理学家们大为困惑：当液体（如水）受到超声波作用时，竟然会发出……光！这一现象被命名为“声致发光”（sonoluminescence）。
续……