一个空气泡能够集中起原有的万亿倍的能量，产生出以微微秒计的短暂闪光；对其机制的完满解释尚待探究。

你若乘坐一个在水中阻截的空气泡，当它跳动若下落到底时，你会有什么感觉？可以设想你乘坐的是一辆小车，先是吃力而缓慢地开上一条长长的斜坡，让它在到达顶部之后又自由下落，速度越来越快，直到底部，这时负加速度把你挤塞进你的坐椅。你在这里感受到的也就是乘坐空气泡下落到底时的感觉。只是空气泡的下落能达到超声速，而且把你挤压进坐位的力是你体重的万亿倍。

很明显，对这种驰驱的反作用是超过你的忍受限度的。就气泡而言，对非同寻常的力的反应是产生一次只有以微微秒计的瞬息闪光，它大部分是紫外光（线），这说明当气泡自由下落终止时，它的内部比太阳表面还热得多，声波能使气泡约这种野性驰骋每分钟重复30,000次，以致发出像时钟般有规律的闪光。

在声致发光（声转变为光的过程）中，气泡集聚起万亿倍的声振动能量。这就是说，驱动气泡的声波波长是几厘米，然而光却是从原子尺度的小范围内发射出来的。

有关这种廉价而不平常的发光源的详细解释尚待探索。闪光是如此之短促，因此我们要测定光的性质，必需应用比高能物理学家用的仪器反应更快的光检测器。事实上，声致发光是不需用昂贵的激光器而产生微微秒闪光的唯一方法，声致发光完成如此巨大的能量集聚，这种物理过程可以作为研究工作者发展控制核聚变的有用模型。

出于怀疑的调查者

我初次听到声致发光时感到十分怀疑。那是80年代中期，我在伊利诺斯理工大学的同事告诉我的。他对我长期致力于流体力学，集中精力研究Navier-Stokes方程不无揶揄、他问我，如果你认为Navier-Stokes方程有那么伟大，就请你解释一下声怎么能转变成光。”我凭自己的直觉回答他说，声致发光是不可能的。但是他坚持说，这种效应不久前有文件公布，这样，我就同那时的学生R. 罗夫斯塔特一起查阅所有发表了的有关文章，研究是不是真的有声致发光这回事。

我们得知，在20和30年代，研究扬声器（它是第一次世界大战时为声呐系统研制出来的）的化学家碰到一个有趣的现象：一个强声场能够促成发生在水溶液中的化学反应。海德堡大学的德国科学家R. 麦克那时向他的合作者解释：一种化学反应所需的能量同从原子中发光的激发能量数量相同。因此他建议研究这种预兆。不久后的1934年，加仑大学的H. 弗蓝塞和H. 薛尔塔斯在一次水浴中发现了由声波激发的光。

一个人在地毯上行走之后去触摸门的把手，会产生火花闪光。在弗蓝塞和薛尔塔斯的实验里，声波引发气穴过程——水中气泡的生长和破灭。他们把通过液体的气泡运动想象成同鞋子在地毯上的缓缓移动相似，在原本中性的介质上，摩擦使电荷分离，火花闪光释放累积起来的电荷，他们在论文中提出：有更重要的事情值得他们关注。

另外一些寻找机制线索的研究者进而测量这种新光源的频谱，这些研究由于这种现象的瞬时性质而没有结果。他们用强声产生气泡云，其生长、破灭和放光表现不可预测，也不同步。

我和加州大学研究生B-P-巴贝热心于弄清和解释声致发光的机制。我知道别的研究者在阻截水中单个可放光气泡上已取得成功，那是部分排气的，可是他们拆除了实验，放弃了这种研究方法。然而他们的进展启示我们如何去调整我们的仪器，以寻找单个气泡的声致发光。

就这样，用一只化学实验室的沸水曲颈瓶，一台普通示波器，一只我的立体收音机，又买了一台光电倍增器（光传感器），我们居然干起来了。我们用注射器把空气泡注入水中，几年来我们又改进了设备，现在的仪器包括一台压电换能器，装置在注满水的圆柱形曲颈瓶的顶墙，压电换能器是陶瓷做的，用它把振荡电压转变成机械振动。从而引起声波（在水中压缩场和扩张场交替）。水中浸入一根细电炉丝，当电流通过时，电炉丝加热，使附近的水沸腾。结果形成充满水汽的气泡，在水汽冷凝前，溶解在水中的空气流入袋中生成一个空气泡。

这时，这只汽泡被阻截在圆柱形曲颈瓶的中心处，在这里使气泡上升的浮力与声波的力平衡。产生声致发光的特征气泡运动需要有大约110分贝的声波。虽然这个音量与汽笛警报只差几个厘米，但声音的频率恰好在人类听力范围之外。

探测跳动的气泡

物理学家们正在试着表征声致发光，而我们的首要目标是搞清过程所包含的时间尺度——特别是闪光的持续时间，我们发现作这样的测量需要应用现行最快的传感器；对此我们感到吃惊。我们分析得到的上限是50微微秒。我们还发现闪光的出现具有出奇的规律性。接连闪光的间隔时间，典型的是35微秒，偏离不大于40微微秒。

为了测定声致发光气泡的半径，贝巴用激光照射它，然后测量光束的散射。球形物体散射光的强度与物体半径平方成正比。因此，来自光检测器的信号的平方根指示了气泡的半径。

测量显示，开始时气泡直径是几个微米，直到声场的扩张部分对它起作用。然后压力下降，流体在张力作用之下，气泡涨大到约50微米。膨胀继续到声场停止扩张而转为压缩为止。

在这个最大的膨胀点上，气泡内形成一近真空。这是因为气泡的体积已大为增加，而它内部的分子数且并无变化，大气压仍然作用在气泡外部。内部和外部的压力差使它产生突然坍缩，气泡从50微米的最大半径咸小到大约0.5微米。这时，气泡表面停止向内冲刺，仿佛它突然撞上一堵墙壁。这是因为气体原子和分子间的排斥力在作用着，它小得不能再小，当气泡减速到最小半径时，闪光发生了。发光之后，气泡的大小弹跳了几次，然后静止，等待下一次声音的帮助。

尽管实验能够测量出气泡的大小，然而没有什么理论能够解释那些气泡的特定半径何以出现。气泡的大小取决于内部被俘获的气体数量。现在，我和我的一个研究生鲁夫斯塔特正在研究溶解在气泡周围的水中的气体扩散到气泡里去的机制。气泡大时，其内部压力就低，周围流体中的气体就流入气泡。气泡小时，情形相反。流入和流出的空气分子之间的平衡决定了气泡的平均大小。

由弱声场驱动的气泡，其半径的大小大体遵循这一模型的预言。但是把相同的推理应用到高振幅，实际的光发射气泡大小与预言就有一个差距。声音愈响，气泡平均半径理应稳定地增大。然而实际上，正当声致发光出现时，这种关系奇怪地出现间断 :平均半径在一瞬间突然减小。除了这一点，它重又随声幅的增大而增大。可见一定是某种新的质流机制（至今还不知道是什么）决定着声致发光的状态。

酷热的气泡内部

肉眼看到声致发光气泡的蓝光如同夜空的星星。1991年，我的研究生R · A · 希勒测定了这种辐射光有多少是在频谱的可见部分。他发现频谱上的辐射实在比肉眼看到的多。结果是，气泡放射的紫光多于红光，紫外光又多于紫光。我们不能在超过光子能量6eV（相当于0.2微米）时观察频谱。因为超过这些能量的光不能通过水。（基于相同的理由，我们制作曲颈瓶必须用硅玻璃而不用要阻挡紫外光的防护白玻璃，）6eV的能量相当于72,000开尔文的温度，所以气泡内部一定是非常炎热的。

坍缩的气泡变得很热，这一现象可以用南加里弗尼亚居民的日常经验来解释：海拔较高处的风吹到海拔较低处时居民们感到炎热。在南加里弗尼亚，当高原沙漠的空气升温15℃而吹到洛杉矶盆地时，就产生一种“Santa Ana”条件，温度突然升高。原因是当空气高度向海洋下落5，000呎时，作用在沙漠空气质量上的大气压作了功。在高度较低处大气压力较高，如果压力差在空气与海洋或其它较冷物体有时间交换热量之前压缩空气，空气就产生绝热升温。这就是说，在不增加任何热能的条件下升高温度。

尽管我们用加里弗尼亚的炎热天气来比拟，然而在坍缩气泡中出现的过热点同它仍有天渊之别。声致发光气泡的半径减小100倍，体积要减小100万倍。50年代，伦敦麦赖德电子实验室的B · E · 纳丁克和E · A · 奈毕赖斯计算，气泡绝热压缩后内部温度升高到10,000开尔文，压力超过10,000大气压。（气泡表面并不蒸发，也许是因为气泡内部的增压和升温是高速发生的。）

高温怎么会产生光呢？根据声致发光和声化学研究者的意见，坍缩产生的能量强大得足以分裂气泡内的分子，分解了的分子重新结合时就放出光。这个被称作声致发光的效应是1952年由卡荷立克大学的V · F · 格力芬首先提出的。它与瞬时空穴理论一起已被应用来产生不寻常的化学过程。例如无定形铁的制作。

虽然坍缩气泡的绝热升温为能量集聚提供了一个印象深刻的机制，然而它并不是唯一的也不是完满的答案，单独用这样的升温并不能产生我们所观察到的紫外光谱。因此，一定发生了别的扩大能量的过程，我和巴贝推断了一种可能的机制：坍缩气泡的超声速可以向气泡内部放出冲击波。虽然气泡的坍缩运动被气体分子的相互作用所阻挡，但是内爆炸冲击波可以继续向里推进，并进一步集聚坍缩的能量。

我在加州大学的同事P · H · 罗伯德斯和胡浅青也一样认识到冲击波在声致发光中的潜在重要性、他们计算了能量集聚的程度。他们以40年代德国数学家卡德莱首先提出的一个解为基础，证明气泡坍缩能向泡内发出冲击波。当冲击波内爆炸时，它就变得更为强大。当会聚起来的冲击波向外爆炸时，与这种冲击波联系着的高温高压也更加扩大。

冲击波波阵面一般易受不稳定性的影响而使其表面皱折，因此限制了内爆炸的程度。如果由气泡放出的向内运动的冲击波波阵面完整地保持0.1微米的半径（从气泡中心起算），近处的温度会达到10万开尔文。这个热度大致是我们所观察到的强紫外光所要求的。如果存留的冲击波波阵面降到20毫微米，温度会达到100万开尔文。这个热度足以产生软性X射线（波长较长）。这样的光子不在水中传播，我们无法知道它是否存在。关于由声能得到弱X射线的可能性，看来有些牵强，我对此表示怀疑。

稀有气体添加物

虽然单个气泡的声致发光机制很难解释，但是这种现象是容易制作出来并进行调整的。尽管它是确确实实的现象，但它对诸如声强和水温等可控实验参数却是敏感的。比如，在温度从30℃下降到0℃时，每次闪光所发出的光量增加到200倍。在0℃时，每次闪光，气泡约放出1000万个光子。

对温度的敏感性使我们想起，可以用改变别的量的办法来了解有关声致发光的更多知识。我们试着在其它液体中而不是在水中寻找单个气泡，但没有成功。这样，我们转而试着改变气泡内的气体。这样的改变必然得先让水放气成真空（这是除去溶解在水中的空气的过程）。接着我们把所选择的别的气体溶解入水中。这一处理必须在不透气的密封系统中进行。希勒做的仪器首次制成了纯氮气泡。他预计，这样的气泡与含氮量80%的空气的性质会是相似的。

出乎意料，纯氮气泡几乎不产生任何光。所以我们又希望氧来显现奇迹。但我们看到纯氧气泡发出的光还是非常暗淡。80%氮和20%氧的氮氧混合气也同样只有很弱的放射物。难道液体空气箱中的气体都是这样的？我们急切地分析其中的欠妥和错失。

事实上，测量是精确的。空气中含1%的氩，它是从液体空气中分离出来的。我们把氩添加回去，就提高了光的强度。氦和氙照此操作的结果相同。（虽然稀有气体产生的是单一的光谱。）看来大约占空气1%的这样的一个小小的气体掺和物似乎是声致发光的关键。我们至今还不清楚为什么这是最佳数量。

从我们以上的实验中，对于声致发光我们了解到什么？首先的也是最主要的，是我们知道了“演奏家”声场，它为气泡确定一个恰当的位置，使它得以把最大的力均匀地作用在气泡上。一种据此产生内爆炸冲击波的绝热压缩理论，提供了一幅引人入胜的图画，有助于指导研究，

还有，这种工作模式应当看作是试探性的。这是因为它未能解释这么多的未知秘密。这些秘密包括：气泡的大小，稀有气体的作用，放光的机制。最要紧的是，理论和实验都未能确定气泡所能集聚能量的限度。诚然，这个机制是自然界最高的非线性系统，但是我们能够控制它，并使它避免混沌。这个问题的乐趣在于，效应是如此之确实，然而当我们改变一个参量的时候，它又是如沘之敏感，我们发现了奇妙的新的物理学。

[Scientific American，1995年2月号]