#頭號創(chuàng)作者激勵計劃#

在昨天的文章《“劍鳴”是什么？教你在工程知識的加持下打造一把能“鳴”的劍》中，有粉絲留言問到了一個專業(yè)但極其關鍵的問題：“材料聲速到底有什么意義？”——說實話，這個問題一旦理解透了，不光是在結構力學和材料物理中如撥云見日，甚至你在看到“10馬赫戰(zhàn)斗機”、“斜激波引擎”、“高超音速飛行器”這些噱頭新聞時，都會有種“啊這不是在講幼兒物理”的感覺。

有一說一，在高階的工程領域里，材料聲速和介質聲速是絕對繞不開的兩道門檻。它們不是“學術概念”，而是實打實控制著“這個東西能不能快”、“快了之后會不會散架”、“結構是不是能活下來”的第一原則。材料聲學可以說是一層窗戶紙，一旦捅破了，很多事情就全明白了。

如果說“力”是工程的顯性語言，那么“聲速”就是結構材料背后的隱性規(guī)則。一切你看到的爆炸沖擊、防護裝甲、飛行姿態(tài)控制、甚至太空器再入包線設計，都必須首先過一遍“聲速關”。而在這其中，最能直觀展現(xiàn)聲速統(tǒng)治力的物理現(xiàn)象，莫過于爆轟波了。

W君學高能材料的，對爆炸恐怕要比很多人熟悉那么一些，但是在講爆轟波之前咱們先熟悉一下很多人都自以為特別熟悉的“聲速”。這是一個最基本的概念，聲速是介質中擾動傳播的速度。這句話很重要，咱們沒有說空氣、沒有直接說聲音，而是用了“介質”、“擾動傳播”和“速度”這三個關鍵詞。

首先，“聲”不可能脫離介質存在。那么什么是“聲”？如果你去查百科，通常會查到諸如“聲音是振動產生個聲波，通過介質（空氣或固體、液體）傳播并能畀人或動物聽覺器官所感知個波動現(xiàn)象。”的解釋，實際上這種解釋僅僅是基于大多數(shù)人的直觀感知給出了一個用自己來解釋自己的概念。

就像“光”是什么一樣，普通人所接受的概念依然是“人眼所能感受到的電磁波”?！奥暋北举|上是一種機械波——也就是介質粒子之間通過彈性力相互擾動并傳播能量的過程。在工程物理中，聲波的存在不依賴你是不是人，也不關心你聽沒聽到。它存在于地震波、爆炸波、結構響應波、甚至工業(yè)檢測中的超聲波之中。從幾赫茲的地殼緩慢震動，到幾十兆赫茲的無損探傷波，全都是“聲”的范疇。

所以，聲不是“人耳聽到的東西”，而是“物質對擾動的響應”。這里的物質就是聲音傳播的介質了。那么“介質”的意義何在？很多人聽到“介質”這兩個字，就腦補出“空氣”、水”、“固體”這類物理環(huán)境詞匯——其實這只是表象。真正的介質含義是“一個能在擾動發(fā)生后，把這種擾動通過自身內部結構傳導出去的物理體系”。

如果沒有這個傳導體系其實——能量傳遞的效率就會大幅度縮減。例如我們在正常大氣內點燃一包炸藥：

炸藥就可以正常爆炸——似乎是廢話吧？但如果我們在真空中點燃一包炸藥：

你得仔細的看，炸藥迸出幾顆火星子之后就安然無恙的懸掛在真空中——這就是失去了介質的炸藥粉“爆炸”的情景。能量的“擾動”無法繼續(xù)傳導。

不僅僅是炸藥爆炸，如果是失去了空氣這種聲音的介質，就連水滴下落都不會濺起水花。

這是很多人從未意識到的事實：你所見的“飛濺”不是水自己的行為，而是聲波的副產品。水滴在撞擊表面的瞬間，不僅僅是慣性在擴散，更重要的是沖擊所引發(fā)的空氣激波作用在液滴邊緣，突破了液體表面張力的穩(wěn)定閾值，使得原本連續(xù)的液面被撕開、卷起、噴出，才形成我們熟悉的“水花”。

很多人下意識會反駁：“一個小水滴怎么可能產生‘激波’？這不是大氣層再入才會有的嗎？”。錯了！沖擊產生激波與尺度無關，而與速度梯度、介質壓縮性和時間尺度高度相關。哪怕只是一個幾米每秒速度的液滴，在極短接觸時間內，也能在氣體中形成足以產生壓縮波的擾動界面，并在邊緣區(qū)域形成高壓氣體束——這就是小尺度聲學激波的一種表現(xiàn)。

這就進入聲音三元素的最后一個問題——聲速。那么，聲速是什么？簡單說，聲速就是介質中擾動傳播的速度極限。它不取決于“聲音的大小”，也和“你聽得見聽不見”沒有任何關系，而是由介質內部結構的物理屬性決定的。在氣體中，它與溫度、壓強、分子質量和絕熱指數(shù)有關：

在固體中，它與楊氏模量和密度有關：

——意思是，誰的分子彈性強，誰的密度低，誰就能把擾動“傳得快”。舉個例子，常溫常壓下，空氣中的聲速大約是每秒343米；水稍快些，能跑到1500米每秒左右；鋼鐵更快，聲速能達到5900米每秒；而鎢這種高密度高彈性材料，聲速可以逼近6200米每秒。你以為這就結束了？不，還有一些高模量陶瓷材料，比如氮化硼、立方氮化硅，它們的聲速甚至能突破11000米每秒——在這種材料里，一旦你打出擾動，響應幾乎是瞬時的。

微觀解釋就類似于它——牛頓擺：

微觀層面怎么理解“聲速”？可以想象成你在看牛頓擺：你撥動一頭，另一頭迅速響應，中間的鋼球一個不動，看起來像是“能量瞬移”，但實際上它們之間每一對鋼球都完成了力的傳遞和能量交換。這種“波動接力”依賴兩個核心物理量：彈性模量和質量密度。

聲速，正是它們的函數(shù)。

彈性越強，意味著介質內部“想要恢復原狀”的驅動力越大；質量密度越低，意味著你不需要耗費太多動能去推動它。這兩者結合起來，就決定了一個介質面對擾動時的響應速度極限——這就是聲速的本質。

這也是為什么同樣是金屬，鎢比鋼更“硬”，但聲速并沒有快太多，因為它雖然彈性模量更高，但密度也高，反而在推高響應速度這件事上被“拖了后腿”。而像某些陶瓷材料，比如氮化硼、氮化硅，它們不僅模量高、結構剛性極強，而且原子質量輕，于是聲速就能沖上每秒11000米級別。這已經接近材料對擾動可容忍的物理上限。

一旦擾動傳播速度超過這個上限會發(fā)生什么？你別指望結構還能“理解”你——它只會崩潰。再彈的材料，在聲速之上也會變得脆弱。再高的強度，在聲速面前都只能算響應速度夠快，而不是足夠堅不可摧。

但有一件事得明白，真正的堅不可摧是不存在的。牛頓擺之所以可以傳遞動量，原因是輸入的動量還不足以破壞牛頓擺的結構。如果足夠大呢？會是怎樣？有人做過實驗的，看動圖：

一顆高速加速的小球撞擊牛頓擺，瞬間擊掉第一顆球，整個系統(tǒng)瞬時解體，連帶鋼絲崩斷、小球橫飛，底座直接移位。這事情就不是“能量守恒被打斷了”，而是結構響應速度根本來不及接收動量，因為它的聲速極限被超越了——“架子被能量守恒打飛了”而已

這個畫面可以說是爆轟波在材料中表現(xiàn)出的物理機制的縮小版本：只要能量釋放速度快到一定程度，任何材料都會被擊穿，而不是“接受”。這不是打穿結構，而是讓結構壓根來不及做出反應。

能讀到這里就很好了，基礎的聲速、介質響應速度、結構崩潰機制咱們今天都已經交代得相當透徹，那么——是時候真正講“爆轟波”了。

在很多人看來，沖擊波和爆轟波只是“炸藥炸了以后的一道氣浪”，區(qū)別可能只是沖擊波更“先到”、爆轟波更“劇烈”而已。但在工程物理和爆炸力學中，這兩個概念完全是兩種不同的現(xiàn)象，甚至連驅動機制都不一樣。上面的牛頓擺的例子中，沖擊波可以是牛頓擺本身上來回擺動的小球，而爆轟波則是飛向牛頓擺的那個小球。

沖擊波是由高速氣體壓縮造成的壓力波，它不依賴材料本身發(fā)生化學反應。你可以把它理解為一個極短時、極高壓的“空氣錘子”，比如一個高速物體突破音障產生的音爆，或者炸藥中心快速釋放熱量把周圍空氣擠出去產生的高壓波前。它的傳播是機械的，靠氣體分子的擠壓和傳遞來完成，不涉及能量從化學形態(tài)轉化為動能的過程。最典型的例子就是高超聲速飛行器頭部形成的弓形激波，這就是一個純粹的沖擊波。

而爆轟波不一樣。它不僅包含了一個高壓高溫的激波前沿，更可怕的是這個激波后面緊跟著的是一個正在進行化學反應的能量釋放區(qū)。也就是說，它是一個能自己“養(yǎng)活自己”的波前：激波負責“點燃”前方的炸藥，炸藥燃燒釋放出的能量反過來又維持激波的強度，于是形成了一個高速推進、持續(xù)燃燒、能自持穩(wěn)定傳播的“反應波”。

簡單的例子：大部分彈藥都是依靠爆轟波的界面效應得以破裂的。例如406mm海軍炮的炮彈，很多人覺得這枚炮彈內部得滿滿的裝填炸藥，而實際上：

這種炮彈只在尾部裝填很少的炸藥，以HC Mark 13高爆彈為例子，這枚炮彈的重量為862公斤，內部的炸藥只有70公斤。但這70公斤的炸藥爆炸，可以像撕紙一樣把外面厚達近10公分的（兩層航母甲板鋼材厚度）直接撕裂。

這是因為沖擊波是被動傳播，爆轟波是主動進攻。前者靠動量傳導，后者靠化學能驅動。

更有意思的是，從數(shù)學上講，沖擊波是一個間斷面，它滿足質量、動量、能量守恒的Rankine-Hugoniot條件，但后面不會有能量補給。而爆轟波滿足同樣的守恒條件，卻還要疊加一個“自燃反應區(qū)”的傳播方程，它形成的是一個耦合了反應速率的非線性波動前緣。

你可以想象，一塊炸藥如果僅僅是炸一下然后擴散能量，它形成的是沖擊波。而如果它炸完一小塊，然后那塊引燃旁邊，再引燃旁邊，再引燃旁邊……每一段都像“接力棒”一樣把反應傳下去，那它就是爆轟波。

所以，爆轟波是有“傳播速度”的，這個速度甚至可以作為炸藥性能的衡量指標。TNT 是 6900 米每秒，HMX 是 9100 米每秒，CL-20 接近 9500 米每秒。這個速度之所以能高于材料本身的聲速，是因為它不是材料彈性響應的傳播，而是化學反應推進的速度。

也就是說，爆轟波根本不需要依賴材料聲速——它就是打著化學能的旗幟直接硬闖物理世界的邊界。而當它撞上結構時，結構還沒來得及像牛頓擺一樣“排好隊把動量傳走”，它就已經被能量鋒面刺穿了。

那么爆轟波除了在爆炸過程中驅動沖擊波之外還有什么作用呢？

在工程學上，爆轟波是一種自驅動、具有方向性的能量傳遞機制。這讓它在工程和軍事應用中不僅是“破壞工具”，更是一種控制手段。比如在炸藥中設計“導爆索”、“爆速匹配”、“聚能罩”等結構，目的不是簡單引爆目標，而是通過控制爆轟波的傳播路徑和時序，實現(xiàn)對能量的集中利用與方向性釋放。

更進一步，爆轟波還能用來驅動物質運動。最典型的就是爆轟推進技術（Detonation Propulsion），包括“爆轟波管道引擎”（Pulse Detonation Engine, PDE）與“旋轉爆轟發(fā)動機”（Rotating Detonation Engine, RDE）。這些概念都建立在一個關鍵原理上：利用爆轟波前沿的高壓區(qū)作為“活塞”，推動氣體或結構前進。而且由于爆轟波具有超聲速傳播特性，這使得這些推進器理論上能實現(xiàn)高于常規(guī)渦輪發(fā)動機的推重比與熱效率。

在高能物理與核武器設計中，爆轟波的意義更是根本性的。比如在原子彈中使用爆轟透鏡（explosive lens）來把多點爆轟整合為一個高度對稱的球形壓縮波，以壓縮钚核心達到超臨界狀態(tài)。這時候，爆轟波不僅是炸藥釋放能量的方式，更是形成核爆初始條件的構型工具。如果爆轟波不能精確疊加成理想的球面壓縮波，那么核武器就根本無法成功引爆。

此外，還有一個很冷門但極端重要的領域——爆轟驅動沖擊誘導材料合成（Shock-induced Synthesis）。一些極端條件下才能形成的材料，例如某些超硬陶瓷、合成金剛石，或者是高速冶金過程中的納米晶材料，就必須依賴爆轟波產生的高壓高溫瞬態(tài)條件完成。這種情況下，爆轟波就像是一把打開物質相變與晶體結構重構的鑰匙，是一種極端條件制造工藝的“能量工具”。

目前這個技術已經可以做到產生恒星級別物質的程度，其實就是依靠經過設計的爆轟擊波的“蠻力”直接對物質進行擠壓。

在現(xiàn)在，大多數(shù)人類的科研已經脫離了常態(tài)化研究，例如你做滑動表面潤滑，再怎么做也就是讓車子開起來更省電一點。“常態(tài)化研究”確實已經走到一個邊際效益遞減的階段，絕大多數(shù)科研都集中在“優(yōu)化已有體系”的細枝末節(jié)上，比如你提到的潤滑研究、能量回收、硅基器件的功耗壓縮等等。它們當然有意義，但更多是“0.01%的迭代”，而非范式轉移。

而爆轟波，正是少數(shù)還能打開“極端物理條件”的鑰匙之一——它不屬于你平常生活中會遇到的任何現(xiàn)象。它只在高溫、高壓、高速的極限條件下存在。你無法通過“微調”一步步走到它面前，它不是連續(xù)可達的領域，而是需要跳躍式手段才能觸及的暴力物理世界。

所以雖然大眾常把“爆轟波”與炸藥、核彈等軍事用途畫等號，但真正深入的人會知道，這只是它最表面的用途。在高端材料、物相研究、結構物理、地震工程、深空推進、慣性約束核聚變等領域，爆轟波目前都是各種領域中無法繞開的極端加載工具——而這一切都來自于爆轟波對材料聲速的挑戰(zhàn)。