2009年的2月某日，中國(guó)中部某小城，嚴(yán)冬尚未過(guò)去，大地蕭條，人們忙著各種生計(jì)，突然，轟隆一聲，窗玻璃和卷簾門嘩嘩作響。汶川地震尚未從人們的記憶中淡出，恐慌隨之而來(lái)。當(dāng)夜，數(shù)十萬(wàn)人露宿街頭，躲避傳說(shuō)中的地震。當(dāng)然，地震并未來(lái)臨。
這神秘的巨響從何而來(lái)，一時(shí)間眾說(shuō)紛紜。不過(guò)我們先做一次時(shí)空旅行，去到60年前的大洋彼岸。1947年10月14日上午，美國(guó)西部鳥不拉屎的莫哈維沙 漠。這是晴朗的一天，除了風(fēng)吹過(guò)裸露的山丘外，只有幾條響尾蛇懶懶的在沙地上畫著S。突然，一聲巨響，真正的晴天霹靂，大地為之顫抖，不知道從哪兒冒出來(lái)一群奇怪的人，他們歡呼雀躍，把帽子扔上了天。不久之后，一架有著炮彈般外形的橙色小飛機(jī)翩然降落在一座荒漠中盄機(jī)場(chǎng)，從駕駛艙里鉆出來(lái)一位英俊的小伙子，此人名叫耶格爾（C. Yeager），綽號(hào)“大塊頭”的他因?yàn)檫@一聲巨響永留史冊(cè)——他是第一個(gè)把聲音拋在身后的人，剛剛駕駛貝爾X-1型飛機(jī)超過(guò)了音速（右圖）。
那這聲巨響從何而來(lái)？讓我們把視線從天空轉(zhuǎn)向水面，把一粒石子投入水中，水面便會(huì)出現(xiàn)一圈圈漣漪，這是石子擾動(dòng)水面形成的波。再看看航行的船，船頭激起了 倒V字型的楔形波紋。在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體與水上行船相似，只不過(guò)二維的水面變成了三維的空間，任何在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)擾動(dòng)空氣形成波。這看起來(lái)沒什么，但當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度越來(lái)越快時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了?？諝庵胁ǖ倪\(yùn)動(dòng)速度是有限的，也就是音速，當(dāng)物體的速度達(dá)到音速時(shí)，它激起的那些波就被物體本身趕上了，堆積起來(lái)。換句話說(shuō)，就是空氣分子來(lái)不及逃開，被擠壓在了一起。喜歡玩兒水的朋友肯定對(duì)這種場(chǎng)景有所體會(huì)，水是溫柔無(wú)形的，不過(guò)你如果想玩一下十米跳臺(tái)，那可要小心，如果玩的不甚熟練，不小心肚皮接觸了水面，溫柔的水同樣可以把你“揍”的七暈八素，肚皮青紫。如果玩兒的更驚險(xiǎn)，來(lái)個(gè)懸崖跳水，如果姿勢(shì)不當(dāng)，那跟跳樓沒什么區(qū)別。如果你沒有類似的體驗(yàn)，可以找個(gè)風(fēng)和日麗的周末，或者碰巧趕上商場(chǎng)大減價(jià)的時(shí)候，去下西單。遠(yuǎn)遠(yuǎn)的你看到有個(gè)美女，你想快點(diǎn)兒追上她，于是你加快了腳步，很快你就發(fā)現(xiàn)人流成了你的阻礙，行人躲開的速度實(shí)在有限，你心急如焚，甩開膀子疾走。快到一定程度，你就發(fā)現(xiàn)自己再也無(wú)力提速了，因?yàn)槿肆髯兂闪巳藟?。?dāng)飛機(jī)的速度接近音速，情況與之類似，一堵空氣墻橫在前面。無(wú)奈上火的你多么希望自己變身綠巨人，轟隆一聲把人撞得滿天飛，哪怕胳膊上掛著七八個(gè)潮男靚女也阻擋不住你追求愛情的心。恭喜你，你悟到了超音速的真諦。只要?jiǎng)恿ψ銐虺渑妫Y(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，外形足夠合理，被空氣墻裹住的飛機(jī)便會(huì)超過(guò)音速。此時(shí)被壓縮到極致的空氣被穿透，產(chǎn)生了激波。激波是什么你大可不必詳細(xì)了解，因?yàn)樗婕暗健办?、信息、介質(zhì)、場(chǎng)、紊流”等一系列玄而又玄的概念。你只需知道這激波可以造成壓力的劇烈波動(dòng)。這就是莫哈維沙漠上神秘巨響的來(lái)源，更通俗的名稱叫做音爆。如果你有幸聽過(guò)音爆，你會(huì)注意到它實(shí)際上是由緊鄰的兩聲巨響組成的，這分別代表了空氣被飛機(jī)前部撞開和空氣在飛機(jī)尾部閉合形成的激波。當(dāng)然，由于地面和建筑物的反射，那聲音更像是打雷，綿延不絕。
上圖：一架美國(guó)海軍航空兵藍(lán)天使飛行表演隊(duì)的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)低空超音速掠過(guò)海面。超音速形成的激波引起空氣壓力的迅速變化，導(dǎo)致水氣凝結(jié)，形成所謂P-G奇點(diǎn)效應(yīng)（Prandtl–Glauert singularity）。同時(shí)，沖擊波在海面上犁出了一條白浪。
音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)生的音爆足以震碎門窗玻璃。有一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的傳說(shuō)，上世紀(jì)五六十年代一家開在美國(guó)某空軍基地附近的養(yǎng)雞場(chǎng)老板曾經(jīng)投訴過(guò)空軍，因?yàn)樗纳先f(wàn)只雞都被?？岬娘w行員用音爆震死了。前不久的以巴加沙沖突期間，以色列空軍也曾經(jīng)多次夜間對(duì)加沙城實(shí)施音爆襲擾，有報(bào)道稱震壞了350個(gè)門窗，造成了兒童的恐慌。
上圖這架奇形怪狀的丑飛機(jī)是美國(guó)諾斯羅普格魯曼公司為研究改變飛機(jī)外形以減小音爆而設(shè)計(jì)的。
正是因?yàn)槁牭竭^(guò)音爆的人相對(duì)較少，所以它引發(fā)的恐慌事件也層出不窮。2006年4月26日，兩架軍用飛機(jī)超音速飛越美國(guó)亞利桑那州的尤馬市，當(dāng)?shù)氐?11 報(bào)警電話瞬間被打爆，許多民眾報(bào)告發(fā)生了爆炸或者是地震。其實(shí)如果你仔細(xì)聽，音爆之后總是伴隨著著飛機(jī)飛過(guò)的聲音，本駝小時(shí)候一直以為這是飛機(jī)在投炸彈。
如果你沒有聽過(guò)飛機(jī)的音爆，那也不要緊。其實(shí)音爆經(jīng)常發(fā)生在公園里，很多老大爺喜歡抽陀螺健身，如果不是親眼所見，你很難想象那清脆的啪啪聲是小小皮鞭發(fā) 出來(lái)的。其實(shí)，這啪啪聲就是一次次小小的音爆，因?yàn)楦鶕?jù)觀測(cè)，抽鞭子的時(shí)候鞭梢的速度已經(jīng)突破了音速，這也可能是人類最早突破音速的嘗試。
關(guān)于鞭子音爆，有興趣的同學(xué)可以參考這篇論文 Shape of a Cracking Whip
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