聲致發光

1934年，德國科隆大學的H. Frenzel和H. Schultes在研究聲納時，為加速相片顯影，便將一超聲波變頻器置入注滿顯影劑的水槽中。沒想到每當超音波開啟時，液體中的氣泡便發出光來，二人並在顯影後的底片上觀察到一些微小的亮點。這種多氣泡同時發光的現象稱為多氣泡聲致發光（multi-bubble sonoluminescence, MBSL）。值得注意的是，Frenzel和Schultes並不是最早的發現者，1933年時羅馬尼亞科學院的N. Marinesco和法國科學院的J.J. Trillat也曾獨立發現過此現象。惟水下環境過於複雜，以當時技術對於這些壽命（半衰期）極短暫的大量氣泡難以做進一步的分析。

而Felipe Gaitan和Lawrence Crum在50多年後的1989年大幅改進了實驗裝置與技術，發現了單氣泡聲致發光（single bubble sonoluminescence, SBSL）。在單氣泡聲致發光中，一顆被限制在聲音的駐波中的氣泡會隨著自身週期性的被壓縮而不斷放出光來。由於這項實驗技術將原本複雜的多氣泡模型簡化為單一穩定氣泡的效應，故有助於更系統性地分析聲光效應的原理。研究人員同時也發現氣泡內部的溫度竟然高到可以熔化鋼鐵的程度。根據估計與假設，氣泡內的溫度可以高達100萬K，這也重新喚起了人們對聲致發光的好奇與興趣。雖然如此高的溫度尚未被確實證明，但近年來由伊利諾大學香檳分校主導的實驗顯示，氣泡內的溫度大約在2萬K左右。

當一道足夠強度的聲波射入液體內的一小塊空腔時，會導致空腔急速地壓縮，這個空腔可能是普通的氣泡，或是因氣穴現象引發的微小的低壓氣泡。由於聲致發光可以在實驗室中穩定地被呈現，產生出來的單一顆氣泡會在被壓縮和向外擴展的週期中，不斷放出光來。為了達到這個結果，首先在液體中製造出一駐波，且氣泡必須要置於駐波的波腹處，使其能受到最大的波幅震盪。其共振的頻率取決於容納液體容器的形狀與大小。

一些在聲致發光的實驗中觀察到的事實：

• 氣泡釋放出來的光芒持續時間相當短暫──大約在35至幾百皮秒（ps）之間，光強大約在1~10毫瓦（mW）左右。
• 當氣泡放光時尺寸是非常小的。其直徑大約只有1${\displaystyle \mu }$m，而其能放出光的氣泡大小取決於周圍液體的種類（例如水）以及氣泡中氣體的種類（例如一般空氣）。
• 在單氣泡聲致發光中放出的光，其週期和位置都是相當穩定的。更有趣的是，雖然經過分析這些氣泡會受到例如柏克尼斯力（Bjerknes forces）或經歷瑞利-泰勒不穩定性等作用，導致氣泡會經歷顯著的幾何結構不穩定過程，但事實上我們觀察到這些氣泡放出光的頻率，卻能比當初產生聲波的儀器的震盪頻率還要穩定！
• 如果在氣泡中加入惰性氣體，例如氦、氬或氙等氣體，能進一步增加放出光的強度。

聲致發光中放出光的波長是相當短的，其譜線可以到達接近紫外光的程度。由於短波長的光擁有較高的能量，經過計算，若欲產生如此高能量的光，氣泡中環境的溫度大約要落在2萬~100萬K之間。但這種估計忽略了一項事實，即是水會吸收幾乎所有波長低於200nm的電磁波，這項事實也加深了正確估計氣泡內確切溫度的困難，因為這些估計都是建立在氣泡被壓縮過程中的發射光譜上，或是利用Rayleigh-Plesset方程式所得到的。甚至有人估計氣泡內的溫度可以達到${\displaystyle 10^{9}}$ K，即有十億度之高，但這些看來有些誇大的估計皆建立於現階段尚未證實的模型，以及太多無法確定的假設上。

另外有兩位化學家David J. Flannigan和Kenneth S. Suslick於2005年在《自然》上發表了一篇論文。他們實驗的對象是硫酸裡的氬氣泡，打入聲波後在容器內發現氧離子O²⁺、一氧化硫、以及位於激發態的氬原子。這代表氣泡中心有著一個熱電漿核[1]。他們指出O²⁺離子的激發能量和游離能是18電子伏特（eV）左右，不可能是因為單純加熱而達到的。兩位化學家認為這應該是從氣泡中心的不透明電漿釋放出來的高能電子撞擊得來的。

最讓人感興趣的是，既然氣泡內部可能處於如此高溫下，我們甚至有可能利用聲致發光作為達到核融合臨界溫度的方法。如果氣泡內的溫度和壓力都夠高的話，在太陽和其他大型星體中發生的核融合效應可以在如此微小的氣泡中發生。這種可能通常也被稱為氣泡核融合（）。

2002年3月8日，在美國橡樹嶺國家實驗室工作的一名科學家魯西‧塔拉亞克漢利用極強的超音波震盪轟擊全部由氘組成的丙酮，並在容器旁放上中子源以產生更大的氣泡，Taleyarkhan宣稱他觀察到容器中氚含量的上升，代表引發了核融合效應。他在2003年前往普渡大學任教，並繼續發表有關實驗過程的論文。不幸的是，在Taleyarkhan之後沒有其他研究團體能成功地複製他的實驗結果。在2006年6月，伊利諾大學香檳分校的Dr. Kenneth S. Suslick在一封寫給普渡大學的電子信件中表示，他質疑Taleyarkhan宣稱的研究成果已經構成一項科學不端行為（）。Suslick並聲明在這之後他沒有收到任何普渡大學的回信。[2]

但在2006年11月，據說Taleyarkhan的實驗被來自美國拉特諾大學的Edward R. Forringer再次驗證了──不過是在Taleyarkhan自己的普渡大學實驗室裡[3]。但這時普渡大學卻選擇不繼續深入調查，縱使有許多普渡大學的其他教授也提出對這項發現的質疑。美國《高等教育紀事報》（）也注意到了一些問題：「在這段時間中，Taleyarkhan先生宣稱有兩組以上的科學家來到他的實驗室，並成功的驗證了氣泡核融合效應，Taleyarkhan先生並強調這兩組研究人員都是專家，而且絕對獨立於他本身的立場。但在對兩組研究人員的訪問中，他們都駁斥了Taleyarkhan先生的這項說法。例如拉特諾大學的物理教授Edward R. Forringer便聲明他自己事實上並不是一位專家，儘管如此，他『還是相信他的實驗結果的確能夠支持氣泡核融合的理論……』。」[4]。

有趣的是，在隔年的2007年，美國國會的專案小組計畫使用聯邦基金來重現Taleyarkhan的實驗結果，在他們的堅持下，普渡大學只好在2007年5月10日宣佈他們將至少增加一組與普渡大學無關的研究人員來研究Taleyarkhan的實驗。對於Taleyarkhan當初宣稱他的實驗已經「獨立地被他人驗證」，專案小組採取「高度懷疑」的態度，並且批評普渡大學使用三位之前已經調查過Taleyarkhan的人員現在再來做再審的動作。Taleyarkhan本人對於專案小組的這項報告表示是「偏頗且過度被誇大」的，但最終還是答應與專案小組合作[5]。2007年9月10日，普渡大學內部的調查委員會決定「某些情事值得做進一步的探討（several matters merit further investigation）」，因此所有研究將從頭開始驗證起[6]，如今物理學界普遍質疑Taleyarkhan的研究成果。

2006年1月27日，美國倫斯勒理工學院的研究員也宣稱他們在沒有其他外加中子源的情形下，利用聲致發光製造出核融合反應，並發表論文於著名的《物理評論快報》[7][8]上。但至目前為止，這個實驗尚未被任何科學機構的實驗小組重現。

槍蝦是一種能製造出聲致發光的生物。當槍蝦獵食時，會將牠的巨螯快速合上，噴射出一道時速高達約每小時100公里的水流，這道高速水流會觸發氣穴現象，而成形一個極微小的低壓氣泡。氣泡所放出光的強度要比傳統聲致發光產生的光來得弱，用肉眼並沒有辦法看見。在生物學上，此現象並沒有任何重要性，也僅僅不過是槍蝦用來擊暈獵物的衝擊波的副產物而已。但在物理上，卻是第一個由生物利用聲致發光來發光的例子，因此在2001年10月發現這個現象時，也半戲謔性的將其稱為為「蝦光現象」（"shrimpoluminescence"）。科學家們在此之後隨即發現另一種叫做蝦蛄的動物，有某些品種其棍棒狀的前肢能急速來回揮動引發氣穴效應，進而產生聲致發光。[9] 美國德州農工大學等離子體實驗室的Xin Tang和David Staack利用仿生學設計和3D打印技術製造的機械裝置在水中可以復現同樣的蝦光現象，並且這種機械裝置引發的蝦光現像也說明人類可以在水中用純機械的方法產生慣性約束的等離子體[10]。

• 冷核聚變
• 聲致發光機制