撕胶带为什么那么吵？因为这约等于一次火箭发
提起超音速冲击波，我们可能下意识会联想到核爆炸、喷气式战斗机、火箭发射等。这些能量瞬间爆发的过程，无论怎么看，都与开香槟相去甚远。但有趣的是，据 " 香槟学 " 研究显示，香槟开瓶很像是一次迷你火箭发射，二者均会产生超音速冲击波。
撰文 | 不周
审校 | 二七
一阵猛烈摇晃之后，我们紧盯着香槟酒瓶，期待着瓶塞在下一秒就弹射出去。随着 " 砰 " 的一声，酒液和泡沫喷涌而出，人群中也爆发出欢呼声——这是庆祝活动中常见的一幕。但是这并非打开香槟的正确方式，反而相当危险，每年都有人因此受伤。
让我们重新来过，不去摇晃香槟酒，拆开覆在软木塞上的铁丝网。一手按着瓶塞，一手缓慢旋转瓶身，瓶塞会自然地被瓶内气压慢慢顶出，然后 " 啵 " 的一声弹出来，随后瓶口出现淡淡的白雾。
也许是那抹白雾令人在意，在 2019 年《科学 · 进展》（Science Advances）的一篇文章里，物理学家化身 " 香槟学者 "，突发奇想地用高速摄像机拍摄了香槟开瓶的瞬间。他们惊讶地发现，瓶塞弹出后，瓶中喷射的高压气流竟会形成超音速冲击波。
超音速冲击波，本质上是物体进行超音速运动时，会对周围介质（比如空气）产生扰动，从而不断在物体前方形成压缩气流。这些压缩气流携带了巨大的能量，会以超音速气浪的形式向四周冲击。
马赫环
气流通常是无色的，这意味着我们无法直接看到冲击波。那为何还能用摄像机捕捉到香槟瓶口的超音速冲击波呢？事实上，与其说我们看到了超音速冲击波，不如说是观察到了只有超音速气流才能形成的现象。
当你仔细观察这几张香槟开瓶瞬间的照片时，会发现有一条白线正逐渐远离瓶口，直至消散。而如果你从瓶口正上方向下看，会发现这条线其实是个圆环——这就是马赫环（mach disk）。
如果你留心过超音速飞机起飞或者火箭发射，也许会注意到，它们的尾部总带有一串明亮的光环，这也是马赫环。火箭和飞机都需要喷射超音速气流来获得强大推力。喷出的超音速气流压力很高，所以当它从喷管喷入大气中时，会直接膨胀；但膨胀后的气流压力又会低于大气压，因此会再次被压缩。如此一来，超音速气流会在膨胀与压缩间往复循环，这个过程会形成膨胀波与压缩波，二者在传播过程中相遇叠加，就形成了一个个的圆环，也就是马赫环。
不难看出马赫环现象出现的必要条件：一是超音速气流；二是气流压力与环境压力不等。前者满足冲击波出现的条件；而后者能使气流发生变化，进而产生不同的波。
香槟瓶口的马赫环与火箭尾部的马赫环成因相同，但二者有一个显著区别：超音速气流的温度。香槟瓶塞弹出的瞬间，瓶内气流快速溢出，导致瓶内气压与温度骤降，二氧化碳和水蒸气混合物会凝结成冰晶，形成灰白色雾气。也因此，香槟瓶口的马赫环会出现在白雾中。而火箭喷射的气流温度过高，会点燃混于其中的少量燃料，让马赫环在其中格外耀眼。
瓶塞弹出的瞬间
然而，虽然知道香槟瓶口喷射的气流能超过音速、产生马赫环，但具体的过程和物理机制尚未明确。今年，在一篇发表在《流体力学》（Physics of Fluids）杂志的文章里，科学家通过计算机模拟，进一步揭示了在香槟瓶塞弹出的 1 毫秒（1000 微秒）中，冲击波形成、演变、最终消散的过程。
香槟酒富含二氧化碳，瓶中的气压约是大气压的 6 倍，瓶中压缩的二氧化碳气体会不断地向软木塞施加向外的推力，想将它顶出去。在稳定情况下，软木塞与瓶壁间的静摩擦力会与向外的推力相平衡。然而一旦你开始扭动软木塞，静摩擦力会迅速转变为动摩擦力，不再能与气压抗衡。瓶塞此时就如火箭一般，蓄势待发。
根据计算机模拟，软木塞弹出后的 1 毫秒中，超音速气流的变化可分为三个阶段描述：
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