Сонолюминесценция: 1. Свечение, порожденное звуком

Маленький пузырек пульсирует под действием сфокусированной ультразвуковой волны и в момент максимального сжатия испускает короткую вспышку голубоватого света. Повторяясь на каждом периоде колебаний, эти вспышки складываются в стабильное сонолюминесцентное свечение. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Сонолюминесценцией (буквально, «свечением, порожденным звуком») называют красивое и, на первый взгляд, парадоксальное физическое явление. Если в емкости с водой сфокусировать достаточно мощную ультразвуковую волну, то в центре возникает точечный источник голубоватого свечения. Хоть само это явление известно уже 70 лет, оно долгое время ставило ученых в тупик. Сейчас, после десятилетий интенсивных экспериментальных исследований, суть явления прояснилась, но оно продолжает преподносить физикам сюрпризы, а иногда даже становится предметом нешуточных споров.

Сонолюминесценция в цилиндрическом сосуде с водой. Изображение с сайта cerncourier.com

Итак, самый первый вопрос: что там такое может светиться? Оказывается, горячая плазма! А возникает она там из-за того, что мощная ультразвуковая волна в воде приводит к кавитации. Ведь звуковая волна — это чередование повышенного и пониженного давления, и если давление понизится до такой степени, что станет сильно отрицательным, то звуковая волна буквально разорвет воду и создаст в этот момент газовый пузырек. Затем, через полпериода звукового колебания, когда давление, наоборот, становится большим, этот пузырек быстро схлопывается — и в процессе резкого сжатия он нагревается.

Именно в последнее мгновение своего коллапса, когда температура внутри кавитационного пузырька достигает тысяч градусов, он и испускает короткую вспышку света. При подходящих условиях пузырек остается на месте, сжимаясь и расширяясь в такт ультразвуковой волне, и, испуская тысячи вспышек в секунду, порождает стабильное свечение.

Есть немало материалов, посвященных разным аспектам этого явления, от научно-популярных, например, заметка Звук с температурой в тысячи градусов на «Элементах», и до серьезных научных обзоров (см., например, статью в журнале «Успехи физических наук» за 2000 год). А лет 10 назад это явление попало даже на первые полосы многих СМИ, когда одна группа исследователей пыталась убедить научное сообщество в том, что в этом процессе они наблюдают реакцию термоядерного синтеза. Заинтересовавшиеся читатели могут проследить за той почти детективной историей по новостям:

• Ультразвуковой термояд: критический анализ
• Эпопея с ультразвуковым термоядом продолжается
• Ультразвуковой термояд: эпизод третий
• Детектив с ультразвуковым термоядом подошел к концу

Ну а в этом сюжете нас явление сонолюминесценции будет интересовать исключительно с точки зрения временных масштабов.