互动科普

一个气泡可使声能聚集到其强度增加一万亿倍的程度，从而产生皮秒的闪光。这一现象的机制还不能得到完整的解释。

想象你坐在公园的过山车上。开始时过山车沿着一条长长的倾斜轨道嚓嘎嚓嘎地慢慢向上爬，等爬到顶点后，就开始自由下落，其速度不断增大，最后落到底部，这时的减速力把你紧紧地抵在座位上。如果你是坐在水中的一个脉动的气泡上，那么你将感受到的正是坐过山车时的这种感觉——所不同的是，下落的过程将达到超音速的速度，而在落到底时，将有一个相当于你的体重一万亿倍的力把你在座位上压成肉饼。

很明显，对这一旅程起反应的不仅仅是你的胃。至于气泡，它对这一极不寻常的力的反应是产生一个仅持续极短时间的闪光。这一闪光基本上是紫外的，这就表明，当气泡的自由下落停止时，它的内部变得比太阳表面还要热得多。声波可使气泡每秒重复三万次这种狂暴的旅程，因此闪光非常有规律地出现。

这一把声音转变为光的过程称为声致发光。在声致发光中，气泡使声音振动的能高度集中，其强度增加到原来的一万亿倍。这就是说，驱动气泡的声波有几厘米长，但光却是从一个只有原子尺度的区域发出的。

对这一廉价而不寻常的照明源的详细解释仍然是难以捉摸的。闪光极其短促，因此，为了测定光的性质，我们必须使用其响应速度比高能物理学家使用的还快的光电探测器。事实上，声致发光是不需要昂贵的激光器就能产生皮秒级闪光的唯一手段。使声致发光能够实现这样巨大的能量集中的物理过程，可以为努力开发受控核聚变的研究人员提供一个有用的模型。目前在洛杉矶加利福尼亚大学我的实验室中以及其它一些机构中进行的探寻声致发光之谜的尝试产生一些新的难解之谜，这些新问题冒出的速度比现有问题得到解答的速度还要快。

持有怀疑的探索者

当我在八十年代中期首次从我的学术同事Thomas Erber（在伊利诺斯理工学院工作）那里听说声致发光时，我其实是对之非常怀疑的。有一天，在洛杉矶加州大学的咖啡馆里，他讥笑我始终不渝地沉迷于流体力学，特别是奚落了描述体运动的纳维尔-斯托克斯方程。他说，“如果你认为纳维尔-斯托克斯方程真是这样了不起，那就请给我解释一下声音如何能转变成光吧。”基于直觉，我回答他说我不相信会有声致发光这种现象。但他坚持说，这一现象若干时候前就被记录下来了。于是我同当时还是洛杉矶加州大学一名本科生的Ritva Lofstedt一起，查阅了以前的论文以确定声致发光是不是真实的。

我们得知，在本世纪二十年代和三十年代，使用第一次世界大战期间为声纳系统开发出的扬声器进行研究的化学家们遇到了一种奇怪的现象：强的声场能够催化在水溶液中发生的反应。海德堡大学的德国科学家Reinhard Meeke那时对他的同事们说，一种化学反应所需的能量，正好就是从原子中激发起光发射所需的能量。因此他建议寻找这样一种信号。此后不久，在1934年，科伦大学的H. Frenzel和H. Schultes发现了水浴中由声波激发的声致发光。

或许人们在走过一段地毯后接触门把手时会产生火花是一个普遍现象。不论Frenzel和Schultes是受什么现象的启发，他们用“Reibungselectrizitat”（摩擦起电）来解释这一发光。在他们的实验中，声波引发了空穴化过程——即气泡在水中生长和爆裂。他们把气泡在液体中的运动描绘为类似于鞋在地毯上擦过的运动。这一摩擦使电荷在原先是中性的介质中分离开来。火花把积累起来的电荷释放掉，接着他们在其论文的结尾宣称，他们还有更重要的事情要做。

其他一些试图找出这一机制的线索的研究人员开始着手对这种新光源进行光谱测量。由于声致发光-是转瞬即逝的现象，因此这类研究没有得到什么肯定性的结论。他们借助于强声场产生的大量气泡的生长、爆裂和发光是无法预测的、不同步的。

在洛杉矶加州大学，我和一位名叫Bradley P. Barber的研究生开始热衷于确定声致发光的机制的性质，并认识这一机制。我得知，其他一些研究人员刚刚成功地在部分脱气的水中捕获了单个的发光气泡。这些研究人员包括现今在海军研究生院的D. Felipe Gaitan和华盛顿大学的Lawrence A. Crum。看来我对于他们这一成就的热心，远远超过了他们自己的兴趣。他们已拆掉了实验装置，并放弃了这一研究路线。但他们向我们说明了如何调节我们的仪器以发现单气泡的声致发光。

这样，借助于一个来自化学实验室的长颈烧瓶、一台来自学生实验室的示波器、我的家用立体声音响系统以及一个用信用卡购得的光电倍增管（光传感器），我们就开始干起来了。我们初期的一些研究是用注射器将一个气泡注入水中的。这几年来我们逐步改进了实验装置。现在我们的实验装置是用一个压电换能器装在一个注满水的圆柱形烧瓶的顶端。换能器用陶瓷材料制成，它可将振荡电压转换成机械振动，从而在水中建立起声波——即交变的压缩和膨胀场。一小段电炉丝浸在水中。当电流流过电炉丝时，电炉丝就变热，使附近的水沸腾。结果就形成了一个充满水蒸汽的气泡。在蒸汽重新凝结成水之前，溶解在水中的空气进人泡囊中，产生一个空气泡。

然后这一气泡被捕集在圆柱形烧瓶的中心，此处的浮力——浮力趋向于使气泡上升到水面——被声波的力所抵消。为了产生出声致发光所特有的气泡运动，需要相当于110分贝的声波。虽然这一音量同几厘米外的一只烟雾探测器的报警笛的音量差不多，但它的频率则刚好在人的听觉范围以外。

探测反弹的气泡

正如那些试图确定声致发光特性的物理学家一样，我们的第一个目标是判明这一过程所涉及的时间尺度——具体地说就是闪光的持续时间。我们惊奇地发现，这样一种测量将需要使用已知的最快的光探测器。我们的分析表明，持续时间的上限约为50皮秒。我们还发现，闪光的出现具有令人难以置信的规律性，相继出现的闪光之间的间隔时间——通常为35微秒左右——其变化幅度不超过40皮秒。

为了测定声致发光气泡的半径，Barber将一束激光照射到气泡上，并测量从光束中散射出来的光。被一个球形物体散射的光的强度同该物体的半径的平方有关。这样，光电探测器发出的信号的平方根就表明了气泡半径的大小。

这一测量表明，气泡开始时的周围尺寸为几微米，直到声场的膨胀部分作用于其上。然后压力下降，使流体处于张力作用之下并使气泡膨胀到大约50微米，膨胀一直持续到声场从稀疏转为压缩。

在这一最大膨胀点上，气泡内部形成了一种近于真空的状态。这是因为气泡的体积已大大增加，但是气泡内的分子数量却没有变化。不过，大气压仍作用于气泡的外部。气泡内部和外部的压力差导致灾变式的坍缩。气泡的半径从50微米这一极大值减小到约0.5微米。在这一点上，气泡的表面停止向内急剧收缩，就好像它突然撞到了一堵坡上。由于气体原子和分子间的排斥力的作用，气泡不可能变得更小了。我们说在这一点上气泡的大小是由其内含物的坚硬核心的范德瓦尔斯力决定的。闪光是在气泡减速通过其最小半径时出现的。在光发射之后，气泡的尺寸弹性变动几次，然后就静止在水里等候声音的下一次帮助。

虽然实验可以测定气泡的大小，但没有任何理论能够解释落些特殊的半径值是怎样出现的。气泡的大小与捕集在气泡内的气体的量有关。我和Lofstedt——现在是我的一名研究生——正在研究溶解于周围水中的气体扩散进气泡中的机制。当气泡较大时，其内部压力就较低；因此，气体从周围的流体进人气泡中。当气泡较小时，情况就正好相反。空气分子流进和流出之间的平衡，决定了气泡的平均尺寸。

由弱声场驱动的气泡的半径看来遵循这个模型的预测。但是将这一推理应用于强声场的发光气泡所得结果与实验数据相矛盾。人们本应发现气泡的平均半径随声音强度的增大而逐步增加，但是实际上这一关系就在声致发光开始出现时呈现一个异乎寻常的间断：平均半径短时地突然下降。过了这一点之后，平均半径又随强度的上升而增大。某种新的（而且是至今尚不知道的）质量-流量机制必定决定了声致发光状态。

灼热的内部

对肉眼来说，声致发光气泡发出的微弱蓝光看起来就像夜空中的星星，1991年，我的研究生Robert A. Hiller确定了这一辐射光有多少位于光谱的可见部分内。他发现，进入光谱的光确实比眼睛看见的光要多。结果表明，气泡发出的紫光多于红光，而紫外光又多于紫光。我们无法跟踪光子能量超过6电子伏特的那部分光谱（这一光子能量相应于波长0.2微米的紫外光波），因为超过这一能量的光不能在水中传播。基于同样的原因，我们必须用石英而不是用普通玻璃来制造烧瓶，因为普通玻璃阻断紫外光。6电子伏的能量相当于72000开氏度的温度，因此气泡的内部必定是灼热的。

坍缩气泡变得非常之热的现象，可以用南加利福尼亚州和阿尔卑斯山居民的日常生活经验来加以解释。当风从高地吹向较低的地方时，这些居民就吃到特别炎热的气候的苦头了。在南加利福尼亚州，当来自高地沙漠的空气吹进洛杉矶盆地后其温度上升15摄氏度时，就出现了所谓“Santa Ana”(“圣安那风”——洛杉矶附近的东北大风——译注）气候。这一突然的温度上升是由于空气在吹向海洋的过程中其髙度下降5000英尺时大气对沙漠空气团做功而造成的。当髙度较低时，气压就升高。如果这一压力差在空气还没有来得及与海洋或其它较冷的物体交换热量时就使空气被压缩，则空气就经历了绝热加热——也就是它的温度在不加入任何热能的情况下升髙。

在坍缩气泡中实现的热点，即使与加利福尼亚的大热天相比，其温度也是极高的。当声致发光气泡的半径缩小100倍时，其体积就减小一百万倍。本世纪五十年代，英国萨雷的Mullard电子研究实验室的B. E. Noltingk和E. A. Neppiras计算出，这样产生的气泡内部的绝热压缩将产生髙达10, 000开氏度的温度和10, 000个大气压以上的压力。气泡表面不会蒸发，这大概是因为髙速加压和加热发生在气泡内部深处。

如果著名的英国物理学家瑞利勋爵曾生活在南加利福尼亚，则他对当地气候的体验或许早已促使他预言声致发光是他在1917年所进行的气泡研究的一部分了。皇家海军当时聘请他来协助査明舰船螺旋桨性能下降的原因。瑞利确定，螺旋桨在水中旋转时所激起的微小空气泡是导致其性能下降的罪魁祸首。这些气泡在以超过10000个大气压的力撞碎在螺旋桨上时，会对螺旋桨造成腐蚀。但是瑞利在描述气泡时运动时，假设气泡的坍缩服从波义耳定律，换言之，他认为气泡内的温度保持恒定。如果他认识到气泡的坍缩非常迅速，因而是一个绝热过程，他必定会预言将出现高温及与之相关的光发射。

这一高温究竞是怎样产生光的呢？根据研究声致发光和光化学的研究人员的看法，坍缩产生的能量强得足以使气泡内的分子分解。这些分解的分子在复合时就发出光。这一效应（称为化学发光）是天主教大学的Virginia F. Griffing在1952年首次提出的。该效应伴随着暂态空穴化而出现，并已被用于引发不寻常的化学过程。一个例子是伊利诺斯大学的Kenneth S. Suslick制造非晶态铁时利用了这个效应。

虽然坍缩气泡的绝热加热是能量集中的一种很有说服力的机制，但它不可能是唯一的答案，也不可能是完整的答案。单靠这种加热，不能够产生我们所观测到的那种紫外成分很强的光谱。因此，必定有另外一级能量放大出现。我和Barber推导出一个看来可能的机制。我们意识到，坍缩气泡的超声可能向气泡的内部发射激波。虽然气泡的运动受到气体分子相互间斥力的阻碍，但内爆激波能够连续向内并使坍缩的能量进一步集中.

我们在洛杉矶加利福尼亚大学的同事Paul H. Roberts和Cheng-Chin Wu也意识到了激波在声致发光中的潜在重要性。他们计算出了能量集中的程度。根据不伦瑞克气体动力学研究所的德国数学家Karl G. Guderley在本世纪四十年代首次得出的一个解，他们证明了气泡的坍缩能够向气泡内发射激波，它随激波的内爆而变得越来越强。与这一激波前沿相联系的高温和高压，在聚合的激波随后向外爆开时得到了进一步加强。

通常，激波前沿容易受到使其表面起波纹的种种不稳定性的影响。这些不稳定性因此而限制了内爆的程度。如果气泡发出的向内运动的激波前沿立到距气泡中心0.1微米的半径处仍保持完好，则中心附近的温度将送到100,000开氏度。这一热量大致是产生我们所观测到的以紫外成份为主的光谱所需要的热量。如果激波前沿直到距气泡中心20毫微米处仍然完好，则温度将达到1百万开氏度，足以产生软X射线（即波长较长的X射线）。这类光子不能在水中传播，所以我们不知道它是否产生了出来。从声音产生弱X射线的可能性看来似乎是生拉硬扯的，我也怀疑这样一种结果。但另一方面，当初我也曾非常怀疑过声致发光现象。

加入惰性气体

虽然单个气泡的声致发光机制很难解释，但这一现象却很容易产生并加以改变。尽管它是一种站得住脚的现象，它对可控的实验参数——诸如声音的强度及水的温度等——却是高度敏感的。例如，当温度从35摄氏度降到0度时，每次闪光发出的光量将增加200倍。在0度下，气泡每次闪光时放出约1千万个光子。

对温度的敏感性表明，我们能够通过改变其它参量更深入地了解声致发光现象。我们试图发现在除水以外的其它液体中单气泡声致发光现象，但却徒劳无功。由于我们无法改变驱动液体，我们尝试改变气泡中的气体。这一改变需要将水置于真空中使其脱气，此过程除掉了溶于水中的空气。然后我们把选定的其它气体溶于水中。很明显，这一过程必须在气封系统中完成。建造了这一装置的Hiller首次用它制出了纯净的氮气泡。他预言这些气泡的性质同空气气泡的性质相似（空气的80%是氮）。

出乎我们意料的是，纯净的氮气泡几乎不产生光。因此我们又预计氧气泡将被证明是非常令人惊异的。然而，我们再次发现纯净的氧气泡只发出非常微弱的光。类似地，含有80%的氮和20%的氧的混合气体的气泡也是微弱的发光体。而来自液态空气罐的气体的气泡发光也极为微弱！我们焦急地寻找我们所犯下的愚蠢的错误。

实际上，测量工作是做得很好的。空气中含有1%的而在商业液态空气中氩已被除掉，重新加入氩就提高了发光的强度。氦和氙也起了作用，不过每种情性气体各产生一个特有的光谱。含量为1%左右的少量气体杂质看来是声致发光的关键所在。我们尚不知道为什么1%是最优含量。

从我们的实际结果来看，我们对声致发光有了些什么了解呢？首先，我们与之打交道的是一种“老练”的声场，它使气泡处于正好合适的位置上，从而对称地并以最大的力作用于气泡上。绝热压缩之后紧跟着内爆激波的理论，提供了一种有助于指导研究工作的很吸引人的说法。

但是，必须把这一有用的模型看成是初步的模型，因为它无法解释许多未知的事情。这些未解之谜包括气泡的尺寸，惰性气体的作用及发光机制等。最重要的是，理论和实验都未能确定能量的聚焦可以达到的极限。这一机制肯定是自然界的最具非线性的系统，然而它却可以加以控制，并可以使其摆脱混沌。这个问题的乐趣在于，此种效应是如此强有力但又是如此敏感，以致我们只要改变一个参数，便会发现绝妙的新物理性质。

【苏瑷/译  赵裕卿/校】