【深造物理】音爆如何產生？從聲波到超音速的科學之旅

想像一下，你正在香港的維多利亞港邊散步，突然聽到一聲巨響，像雷鳴般震撼，但天空卻晴朗無雲。這可能就是音爆（sonic boom）的聲音！作為一個物理愛好者，我總是被這些日常生活中的科學現象吸引。今天，我們就來一起探索音爆的原理，從最基本的聲波開始，一步步深入了解這個讓人驚奇的現象。無論你是上班族、學生還是好奇的家長，這篇文章會用簡單的生活比喻，讓你輕鬆搞懂背後的物理學。準備好了嗎？讓我們開始這趟科學之旅吧！

聲音是怎麼傳播的？

要理解音爆，我們先從聲音的本質說起。聲音其實是一種波動（wave），它透過介質如空氣、水或固體傳播。想像你丟一顆石頭進平靜的池塘，水面會產生漣漪向外擴散。這就是波的基本概念。

在空氣中，聲音是壓縮波（compression wave）。當你說話時，聲帶振動，推擠周圍的空氣分子，這些分子又推擠旁邊的分子，形成一連串的壓縮和稀疏區域。這就像一列火車，每節車廂推擠下一節，傳遞能量。

聲音的傳播速度取決於介質的溫度、密度和彈性。在標準大氣條件下（海平面，20°C），空氣中的聲速約是每秒343米，大概是時速1235公里。這就是我們常說的「聲速」（speed of sound）。

• 在水中，聲速更快，約每秒1480米，因為水分子更緊密。
• 在鋼鐵中，甚至高達每秒5960米！

為什麼這重要？因為音爆就和超過這個速度有關。就像你試圖比光速快，但那是科幻；超過聲速卻是現實中的物理現象。

什麼是馬赫數？

在談音爆前，我們得認識一個關鍵概念：馬赫數（Mach number）。這是以奧地利物理學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）的名字命名的，用來描述物體速度相對於聲速的比率。

簡單說，馬赫數 = 物體速度 / 當地聲速。

• 如果馬赫數小於1，就是亞音速（subsonic），如一般的客機飛行。
• 等於1，就是音速（sonic）。
• 大於1，就是超音速（supersonic）。
• 大於5，則是極音速（hypersonic），像太空船重返大氣層。

舉個香港人熟悉的例子：高鐵從香港到廣州，速度約300公里/小時，馬赫數只有約0.24，遠低於1。但一架戰鬥機如F-16，輕鬆超過馬赫1。

馬赫數不是固定值，它隨高度和溫度變化。高空空氣稀薄、溫度低，聲速會變慢，所以同一架飛機在高空更容易達到超音速。

聲波在亞音速下的行為

讓我們用圖像化方式理解。假設一艘船在平靜的湖面上緩慢行駛，它產生的波紋會均勻向外擴散，每個波峰像圓圈一樣擴大。

同樣，亞音速飛行的飛機，周圍空氣被擾動，產生聲波向四面八方傳播。這些聲波的速度比飛機快，所以不會堆積。地面上的人聽到的是漸漸增強的引擎聲，然後漸弱。

但如果飛機加速接近聲速，情況就變了。聲波開始「追不上」飛機，像是船速加快，波紋開始在船後堆積，形成V形尾跡（wake）。

突破聲障：音爆的形成

現在進入重頭戲！當物體達到或超過聲速時，就會產生音爆。這是因為物體移動得比聲波快，導致聲波無法及時散開，而是堆積成一個錐形的衝擊波（shock wave）。

想像一下，你在擁擠的香港地鐵站快速前進，人群來不及讓開，就被你「推」成一堵牆。這堵「牆」就是衝擊波。

物理上，這是因為超音速物體壓縮前方的空氣，壓力、密度和溫度急劇變化，形成一個薄薄的邊界層。這個邊界層以馬赫錐（Mach cone）的形狀向後擴展。

馬赫數	馬赫錐角度	說明
1	90°	剛好音速，錐變成平面
1.4	約45°	常見戰鬥機速度
5	約11°	極音速，錐很窄

當這個衝擊波到達地面時，我們聽到一聲巨響，那就是音爆。事實上，音爆不是單一事件；只要物體保持超音速，它就持續產生衝擊波，像一條連續的「地毯轟炸」。

有趣的是，音爆有兩個主要部分：N波（N-wave），前部是壓力急升（像爆炸），後部是壓力驟降（像真空吸力）。這解釋了為什麼音爆聽起來像雙重爆炸。

音爆的歷史與真實例子

音爆不是新發現。早在19世紀，人們就注意到子彈高速飛行時的爆裂聲，但真正理解是20世紀的事。

1947年，美國飛行員查克·葉格（Chuck Yeager）駕駛X-1火箭飛機首次突破聲障，達到馬赫1.06。那一刻，他聽到一聲巨響，但其實是地面觀察員聽到的音爆。

在香港，我們可能不常聽到，但記得2003年協和式客機（Concorde）退役前，它是唯一商業超音速客機，從倫敦到紐約只需3小時，但音爆問題限制它只能在海上超音速飛行。

另一個例子是太空梭或流星進入大氣層，產生的音爆能震碎窗戶。甚至鞭子甩出的啪聲，就是鞭梢超過聲速產生的微型音爆！

音爆的物理細節：流體力學視角

要更深入，我們得談談流體力學（fluid dynamics）。空氣雖然是氣體，但高速下表現像流體。

在亞音速，空氣流動是平順的（laminar flow）。但接近音速，出現轉變為湍流（turbulent flow），並在物體表面形成邊界層。

當馬赫數達1，發生「聲障」（sound barrier），阻力急劇增加。這是因為衝擊波消耗能量，飛機需要強大引擎克服。

近代研究使用計算流體力學（CFD, Computational Fluid Dynamics）模擬音爆。科學家發現，飛機形狀影響音爆強度。傳統飛機有尖銳鼻頭產生強烈衝擊波，但新設計如NASA的X-59 QueSST，使用長鼻和特殊翼形，將音爆減弱成輕柔的「悶響」。

數學上，衝擊波滿足蘭金-休格紐特方程（Rankine-Hugoniot equations），描述壓力跳躍。但別擔心，我們不用算式；重點是，這讓工程師能預測和減輕音爆。

音爆的影響與應用

音爆不只酷炫，還帶來挑戰。強烈音爆能損壞建築、驚嚇動物，甚至影響生態。在美國，聯邦航空管理局禁止陸上超音速飛行，就是為了避免音爆擾民。

但音爆也有正面應用。在醫學上，衝擊波用於碎石術（lithotripsy），粉碎腎結石而不開刀。

軍事上，超音速導彈利用音爆增強威力。未來，隨著低音爆技術發展，超音速旅行可能重返，如Boom Supersonic公司的Overture飛機，目標是馬赫2.2，卻只有輕微音爆。

在香港這樣密集的城市，想像一下從香港到東京只需2小時！但我們得平衡科技與環境。

常見迷思與澄清

很多人以為音爆只發生在突破聲速的那一刻，其實不然。它是持續的，只要維持超音速。

另一迷思：太空沒有空氣，就沒有音爆。對，但在進入大氣層時會有。

還有，音爆不是爆炸；它是壓力波，不是化學反應。

• 迷思：飛機在音爆時會解體。事實：現代飛機設計能承受。
• 迷思：音爆只有飛機能產生。事實：子彈、鞭子甚至火山爆發都能。

如何在家體驗音爆原理

想親身感受？試試甩鞭子，讓鞭梢加速超過聲速，聽那啪聲。

或用手機app模擬聲波，觀察波形變化。甚至在浴缸玩水波，模擬船速變化。

這些簡單實驗能讓你直觀理解物理。

探索音爆的原理，讓我們看到物理如何連結日常生活，從維港的巨響到太空探索。這個現象不僅展現自然界的極限，還啟發我們創新。希望這篇文章激發你對物理的興趣，下次聽到類似聲音時，你能自信地解釋給朋友聽。科學總是充滿驚喜，讓我們繼續好奇吧！