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。
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，随后瓶⼜出现淡淡的⽩雾。
也许是那抹⽩雾令⼈在意，在2019年《科学·进展》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。
图⽚右上⾓为拍摄时间：从583微秒到1000微秒。⾼速摄像机捕捉到，马赫环（箭头所指位置）从离瓶⼜较近的图A位置，逐渐远离瓶⼜⾄图E位置，直到图F完全消散。（图⽚来源：原论⽂）
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⼜的超⾳速冲击波呢？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⼜，直⾄消散。⽽如果你从瓶⼜正上⽅向下看，会发现这条线其实是个圆环——这就是马赫环（mach disk）。
我国歼-20战机尾部可见⼀串明亮的光环——马赫环。（图⽚来源：新华⽹）
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。
⾹槟瓶⼜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，⾹槟瓶⼜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，虽然知道⾹槟瓶⼜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。
计算机模拟图像。从上⾄下，每⾏分别对应冲击波演化的第⼀阶段、第⼆阶段到第三阶段。
第⼀⾏500微秒时，⽊塞刚刚弹出，⽓流只能沿着瓶塞与瓶⼜的缝隙横向膨胀；第⼆⾏917微秒时，⽊塞离瓶⼜⼀定距离，⽓流能直接喷射，但会与瓶塞碰撞形成弯曲的冲击波；第三⾏1167微秒时，瓶内外⽓压差降低，⽆法⽀撑⽓流以超⾳速逸出。从左⾄右，每列分别显⽰流速、⽓压和温度的空间分布。结合⾏与列变量，可以对应看出每⼀阶段的状态，及其对应不同变量的区间分布。（图⽚来源：原论⽂）
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：
软⽊塞弹出的第⼀阶段（600微秒内），瓶内的⼆氧化碳⽓流会以超⾳速逸出，这个过程与⽕箭发射的⽓流加速过程极为相似。⽕箭尾部的喷管是两边宽中间窄的漏⽃形状，也叫做拉⽡尔喷管（Laval nozzle）。引燃后加热的⾼压⽓流在通过喷管逐渐收窄的前半部分时，会不断压缩、加速。⽽⾹槟瓶颈处收窄的形状也起到了类似的效果，让⽓流在瓶⼜处加速⾄超⾳速。
就像⼈群堵塞在狭窄路⼜时⾏进速度缓慢，⽽⼀旦⾛到开阔空间会分散加速⼀样，⽓流经过狭窄路径压缩后进⼊到开阔空间，也会急于膨胀加速。因此⾼压的⽓流在逸出瓶⼜、进⼊相对低压的外界环境时，会获得超⾳速；⽽⽕箭⽓流则是在喷管后半部分就能达到超⾳速。与⽕箭不同的是，⾹槟瓶⼜的瓶塞由于运动速度相⽐⽓流过慢，会阻碍⽓流直接喷射。
这⼀阶段的超⾳速⽓流只能沿着瓶塞与瓶⼜的缝隙，横向膨胀逸出，形成冠状的冲击波，同时出现马赫环现象。
软⽊塞离开瓶⼜的第⼆阶段（600-1000微秒间），随着瓶内⽓体不断逸出，终于能像⽕箭⽓流⼀样径直喷射出去，随即会与稍远些的软⽊塞发⽣碰撞，从⽽形成弯曲的冲击波。⽽到了第三阶段（超过1000微秒），酒瓶内的压⼒逐渐与⼤⽓压相平，⽆法维持瓶⼜处的压⼒差，⽓流失去了动⼒。因此喷射的⽓流将不断减速，直到低于⾳速，冲击波彻底消散。
源于⽣活的启发
这项有趣的研究将⽕箭发射与⾹槟开瓶关联到⼀起，不仅推动了“⾹槟学”研究进展，还能为⼀系列重要应⽤的研究提供参考，⽐如⽕箭发射和导弹发射的弹道学研究。这项研究也可以帮助开发⽔下航⾏器和风⼒涡轮机的⼯程师，让他们能更好地理解流体动⼒学（流动的物质在⼒作⽤下的运动规律）过程。
然⽽事实上，我们⾝边不只有⾹槟开瓶会产⽣超⾳速冲击波。不知你是否留意过⽣活中两种极具穿透⼒的声⾳：撕透明胶带时的“撕拉！”声，以及公园⾥甩鞭锻炼时的“啪！啪！”声。
如果⼤⼒地撕胶带，你会发现胶带总是被⼀截截地扯开，听上去是⼀段段的“撕拉”声。当你⽤⼒将胶带撕离附着表⾯时，胶带粘合剂会像弹簧⼀样拉伸，并储存弹性势能（所以⽆法连续地撕开）。在粘合剂“弹簧”承受不住更⼤的拉⼒断裂后，累积的弹性势能会⽴刻转化为胶带分裂边缘（附着胶带与分离胶带的分界线）的动能。
如果⽤⾼速摄像机拍摄这⼀过程，你会看到胶带分裂边缘会以每秒650到900⽶的速度运动，远超⾳速，甚⾄超过了战⽃机的速度。这意味着附着胶带每⼀次积攒势能、⽽后剥离，都会释放微⼩的超⾳速冲击波。所以不难理解，在我们听来，⼀次次迷你⾳爆的叠加当然会很刺⽿。撕透明胶带时，总避免不了刺⽿的“撕拉”声（图⽚来源：Pixabay）
⽽公园⾥响亮的“啪！啪！”甩鞭声，有⼈可能会误以为这是鞭⼦抽打在地上发出的声响，但其实这都是⼀个个在空中爆发的迷你超⾳速冲击波。⼈在⽤⼒甩动鞭⼦时，会将动能传递给鞭⼦。通常鞭⼦⼿柄部分更粗、质量也更⼤，当动能沿着柔软的鞭⾝传递到又细又轻的鞭梢时，为保证动量守恒，鞭梢速度会远⼤于⼿柄的速度，很容易超过声速，从⽽形成局部的超⾳速冲击波。
这个现象，也被称为鞭梢效应。它与⾹槟开瓶⼀样，源于⽣活，但也蕴含着复杂的物理机制。
现在，如果有⼈问：⾹槟，胶带和鞭⼦三者有何共通之处？你知道该怎样回答了吗？