人类首次在实验室“制造”出“宇宙大爆炸”!(2)

图 | 中国在国庆 70 周年阅兵中展示的东风 17 导弹；这是世界上最早投入使用的超高音速导弹之一，是“东风快递”家族中速度最快的“小哥”（来源：Wikipedia）

发动机的工作原理，是燃料与氧气充分混合、点火、燃烧、爆轰，在短时间内释放大量的能量，推动飞行器前进。作为专业背景属于机械与航空领域的团队，Ahmed 他们一开始想要了解的，是超音速条件下的燃烧反应机理：在什么样的条件下，超高音速发动机里原本被动燃烧的火焰，可以主动吸收能量，自发维持爆轰，从而让飞机或者航天器达到超高音速的飞行状态。

应该说，如果可以发现超高音速发动机燃烧转爆轰的关键指标，就已经可以算是一个很不错的研究成果了。然而，随着他们对这个现象展开进一步的探究，他们发现了一件更了不得的事情——超高音速发动机里燃烧的原理，可能就是宇宙起源的原理。

研究人员找到了让被动燃烧转变为超高音速爆轰的关键——湍流。当高强度的湍流裹挟着化学反应的火焰，速度超过一定程度的时候，火焰就可以自发地进行加速，产生激波或者爆轰。中佛罗里达大学有着全美唯一的一台研究超高音速化学反应的实验装置——激波管。在这个截面大小只有差不多 4.5 cm× 4.5 cm 的实验平台里，研究人员用高强度的湍流，把被动燃烧的火焰变成了5倍音速的爆轰。

图 | 模拟超高音速火焰的实验装置——激波管（来源：Science）

而发动机燃烧反应的燃烧波，和超新星爆炸热核反应的燃烧波一样，都是由相同的物理原理所决定的。因此，理解了发生在实验室里的超高音速发动机的燃烧原理，就可以用来理解宇宙中白矮星热核反应的爆轰转化。从这个意义上说，Ahmed 团队在实验室里制造出的，就是一个超新星爆炸。

因此，在化学反应火焰的研究基础上，研究人员又对超新星热核反应的火焰进行了计算模拟和理论分析。结果显示，湍流驱动的爆燃转爆轰，在密度为 107~108 克每立方厘米的情况下几乎是不可避免的。而可能性最大的密度区间，出现在 3×107 克每立方厘米左右，这是太阳密度的差不多 2 千万倍。 这便是发生燃烧转爆轰的关键条件。

图 | 湍流火焰发展成爆轰的过程（来源：Alexei Y. Poludnenko, Jessica Chambers, Kareem Ahmed, Vadim N.Gamezo, Brian D. Taylor, Rendering by the U.S. Department of Defense HighPerformance Computing Modernization Program Data Analysis and AssessmentCenter）

至此，科学家们就通过实验、计算、理论的三重方法，复制出了很可能导致了宇宙诞生的过程。

接“地”气的“天”文研究

更为难能可贵的是， Ahmed 团队的这个研究成果，除了可能揭开了宇宙的诞生之谜，更在相比于“远在天边”的超新星而言要“接地气”得多的地球上，有着非常广阔的直接应用前景。

首先，这个理论本来的研究对象，就是超高音速发动机里的化学反应。因此，它可以直接用于基于爆轰的超高音速推进器设计，进而有望实现在大气层和外太空中的超高音速飞行。

图 | NASA X-43A超高音速飞机（来源：Wikipedia）

其次， 燃烧转爆轰的原理，也可以反过来用来防止爆炸的发生。研究人员称，许多大规模的工业事故中，都很可能伴随有燃烧转爆轰的过程。因此，Ahmed 团队的研究成果，可以用于提高煤矿开采、燃料储存、核电站、涉及到易燃易爆物质的化工厂等许多领域内工业生产的安全性。

此外，这个原理还可以用来发电。就像飞机上使用的航空发动机，和发电厂里使用的燃气轮机，本质上是一回事一样，超高音速发动机的研究，也可以用来设计全新的超高效发电系统。

而更进一步，这个理论描述的恒星从质量到能量的过程，除了可以是初级宇宙射线的主要来源之一，更是一个几乎零排放的高效能源转化过程。在我们现在所依赖的发电技术中，煤炭、石油、天然气等化石燃料燃烧后会排放二氧化碳，而核电站反应后会留下核废料。

但这项研究中的热核反应，在反应过后几乎剩不下多少东西——绝大多数的质量都转化为能量了，这可比常规发电厂里的化学反应，甚至是核电站里的核裂变反应所能释放的能量要高得多得多。因此，他们的研究成果甚至有可能可以为原理类似的可控核聚变发电系统设计提供思路。

文章来源：《分析试验室》 网址: http://www.fxsys.cn/zonghexinwen/2021/1003/1157.html