【原】光波與聲波類似，既然存在音障，那是否也存在光障？

艾?？破站?/a> 2020-01-01

可能許多人都知道，當飛行器在大氣層中的運動速度接近音速時，再想提速就很困難了，此時飛行器遇到了不易逾越的鴻溝——音障。

聲音本質上就是聲源發(fā)出的聲波。自然界中除了聲音，還有光，光也是一種波，稱之為光波。耳朵接收到了聲波，眼睛接收到了光波，于是我們便感知到了這繽紛的世界。

此時腦洞一開，我想到了一個問題：既然聲波和光波有很多相似之處，自然界中存在音障，那么存在光障嗎？

為了弄明白這個問題，我們先了解一下與聲音相關的知識和音障。

什么是音障？

眾所周知，聲音在空氣中的傳播速度是有限的，在空氣中高速運動的物體的速度是可以超過聲速的。當飛行器的移動速度達到0.9倍音速（即0.9馬赫），時速大約1000公里左右，就會產(chǎn)生局部激波，空氣阻力便會劇增，阻礙物體的運動，這就是音障。

聲音的本質是聲波，聲波是一種機械波，需要依靠彈性介質來傳播。聲源的振動引起臨近的介質跟著一起振動，形成了疏密相間的縱波（波的傳播方向與振動方向一致），并向四面八方擴散開來，這就是聲音產(chǎn)生的原因。通常我們所說的聲音它的聲波頻率在20 Hz~20 kHz之間，此外還有人耳聽不到的次聲波以及超聲波。

聲音依靠介質傳播，必然會受介質制衡。在標準大氣壓和室溫（15℃）條件下，聲音在大氣層內陸表附近傳播時的速度大約為340米每秒。聲音在介質中的傳播速度并不是恒定的，它會受介質的類型及其密度的影響。聲音在空氣中的傳播速度就會受溫度影響，因為溫度越高，局部空氣的密度就會越小，聲音的傳播速度也會變慢。此外大氣層的密度是呈梯度分布的，海拔越高，空氣越稀薄，相應的聲速也就越慢。

當然聲音的傳播速度也不可能無窮大。聲音只能在彈性介質中傳播。如果介質是剛體（不可壓縮），聲音的傳播速度就會無窮大，還好剛體在現(xiàn)實世界中是不存在的。

現(xiàn)在來了解一下，為什么會產(chǎn)生音障？物體只要在空氣中運動，就會受到空氣阻力影響，物體也會對空氣產(chǎn)生反作用。飛行器在空氣中運動時會引起周圍空氣的振動形成聲波，聲波是連續(xù)不斷擴散的。當飛行器的運動速度接近音速時，聲波來不及擴散，空氣被壓縮、密度升高，形成一堵無形的“氣墻”阻礙飛行器的運動，還會使飛行器產(chǎn)生劇烈的抖動、甚至失控，這便是音障。這里的“氣墻”其實就是空氣受壓縮后累積形成的激波。其實不僅在空氣中存在音障，水中也一樣存在。

上圖為激波示意圖

當物體的運動速度接近或者超過音速時，這些激波面上的聲波能量高度集中，這些聲音傳到人耳中會產(chǎn)生強烈而短暫的爆鳴感，這被稱之為音爆。這種聲波能量相當強大，當超音速飛機低空飛行時，甚至能夠震碎地表建筑物的玻璃。

激波實際上是看不到的，人肉眼之所以能看到，那是因為空氣中的水蒸氣在聲波能量的高壓作用下產(chǎn)生了凝結，便形成了肉眼可見的錐形激波（如下圖所示）。

要想突破音障，就要大幅度提高發(fā)動機的推力。由于萬米高空處的的大氣比較稀薄，阻力比較小，目前的超音速飛機在幾萬米的高空可以達到10馬赫左右的速度，大約每秒3公里。步槍子彈的初速度就可以達到2馬赫。

存在光障嗎？

通過上面的介紹，相信大家已經(jīng)對音障有所了解，下面來介紹光障。

光波與聲波雖然類似，但并不相同，光是電磁波，光的傳播不需要介質，可以在真空中傳播。聲音是實物粒子的波動，而光則是電磁場的波動。光在真空中的傳播速度大約為30萬千米每秒，空氣中的光速與之近似。

如圖所示，電磁波是一種橫波。

眾多實驗已經(jīng)證明，當有靜止質量的物體的運動速度越來越接近光速時，它的質量也會變得越來越大。這被稱之為質增效應。根據(jù)質能方程，能量和質量是物體同一屬性的不同度量方式，物體的動能增加，質量也會跟著增加。理論上而言，如果物體的運動速度達到光速，那么它的質量將會變得無窮大?？梢姡矬w的運動速度永遠也不可能達到光速，真空中的光速是宇宙間物體運動速度的極限。

上圖為質速關系公式

通過分析相對論中的質速關系，可以發(fā)現(xiàn)：當物體的運動速度越接近光速時，其質量增幅也會上升的越快。這與物體運動速度接近音速的情況類似，當物體的運動速度接近音速時，阻力便會劇增。在這兒，當物體的運動速度接近光速時，物體的質量也會劇增，巨大的慣性將阻礙物體繼續(xù)加速。即使耗盡全宇宙的能量，也不能將一個物體加速至光速。此外，當物體的質量達到一定臨界值時，其會在自身引力的作用下發(fā)生坍縮，形成黑洞。

這便可以稱之為光障，即物體的運動速度永遠也不能達到光速，只能無限接近于光速。從上面的介紹中可以看出，音障和光障的產(chǎn)生機制是不同的。

光速不可超越？自然界中不是存在一些超光速現(xiàn)象嗎？這又怎么解釋？

自然界中確實存在一些超光速現(xiàn)象。例如：宇宙空間的膨脹速度超光速，140億光年外宇宙的膨脹速度就超過了光速；量子糾纏的感應速度超光速。不過需要注意，這兩種超光速現(xiàn)象都不涉及物質的運動（信息的傳遞本質上也是物質運動）。宇宙空間的膨脹并不涉及物質運動，這并不違反相對論；此外，量子糾纏也不能用來超光速傳遞信息，因此用量子糾纏來實現(xiàn)遠距離實時通信是行不通的。對于那些因觀測導致的天體視運動速度超光速，這根本就不是超光速。

值得一提的是，自然界中還存在一種偽超光速現(xiàn)象，這里超的不是真空中的光速，而是光在其它介質中的傳播速度。比如，光在水中的傳播速度大約為真空中光速的75%，如果此時有帶電粒子的運動速度超過了此時水中光的傳播速度，那么就產(chǎn)生了“超光速”現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象中還會產(chǎn)生切倫科夫輻射，其特征是產(chǎn)生藍色輝光，在核反應堆的重水中就可以觀察到這種現(xiàn)象。是不是有點“光爆”的感覺？