在太空，声音真的可以传播

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有史以来最伟大的科幻恐怖电影之一《异形》（Alien）中有一句经典台词：“在太空中，没有人能听到你的尖叫。”

这是基于大多数人的普遍假设：太空是真空。但事实真的如此吗？

我们所说的“声音”，本质上是一种振动，需要通过某种介质（如空气、水或固体）传播。比如音乐就是这样一种振动，是由电流通过电脑扬声器中的磁铁时所产生的振动。磁铁驱动膜片快速来回摆动，挤压周围空气，形成声波，或者说“声学波动”。由此产生的压缩-解压缩的空气波传播到我耳中，使内耳中的耳膜随之振动，向大脑发送信号，由大脑将其解码为音乐。

声波通过某种介质传播时，会使介质中的原子或分子依次相互碰撞。对我听的音乐来说，介质是空气。你也可以在水下听到声音，或是把耳朵贴在固体上。也就说，声音可以在空气、水或固体中传播，只是传播方式因介质的组成和密度不同而有所差异，但原理是相同的。

图片来源：unsplash

如果太空真的是空的一无所有，即绝对的真空，那么《异形》的那句台词无疑是正确的。但太空究竟有多“空”？

太空到底有多“空”

在稀薄介质中，物质常以离散的微观单元形式存在，这些单元统称为粒子，包括原子、分子、离子等。以实验室真空腔为例，粒子密度大约是每立方厘米一万亿个粒子。这个数字听起来庞大，但其实是人类呼吸的空气密度的千万分之一，低了至少7个量级。

然而，太空比实验室真空更“空”。即使太阳风暴爆发使粒子密度提升到每立方厘米逾一百万个，但除了少数超高真空环境外，这仍比地球上的真空稀薄得多。

恒星间的空间还要更加稀薄，平均每立方米仅含约一百个粒子，即每立方厘米0.0001个。而星系之间的深空更为空旷，平均每立方米仅有一个粒子！随你怎么尖叫，这里也没人会听见。

至此，你可能已经意识到，太空中并非所有区域都是真空的。星云等天体区域内的物质密度更高。对于猎户座星云等明亮的气体云来说，典型密度约为每立方厘米一万个粒子。还有些区域的粒子密度更高，比如巴纳德68（Barnard 68）是一个寒冷、致密的小尺寸分子云，每立方厘米约有一百万个粒子。虽然这仍远低于实验室真空，但在浩瀚太空中，低粒子密度也足以吸收本应直接穿过的几乎所有光线。某些巨分子云的致密核心区域甚至每立方厘米有数十亿个粒子。

猎户座星云图（图片来源：NASA/ESA/Hubble Heritage Project）

即便如此，你的叫喊声仍然传不了太远，因为没有足够多的粒子相互碰撞，以传播声波。若要让声音在太空中传播，你需要更响亮的声音，以及一个粒子密度足以有效传播声波的空间。

比如，超新星爆发时，会以极高速度将大量物质喷射到太空中。这些物质与星际介质强烈碰撞，产生足够的粒子相互作用，从而形成声波。

这种波的传播速度取决于介质密度，在典型星云中约为每秒10千米，比地球大气中不足每秒1000米的声速快得多。但超新星爆发产生的大量物质速度更快。它们能以超音速冲击周围气体，产生激波，类似于战斗机引发的音爆。这些激波会压缩周围物质，形成了超新星遗迹中常见的丝状和带状气体。

令人稍意外的是，星云中的声速问题不仅仅是一个晦涩的天体物理学问题，还被证明对地球生命的诞生至关重要。当分子云中一团致密的气体和尘埃坍缩时，会形成环绕新生恒星的扁平盘状结构。据估计，这种圆盘的典型密度约为每立方厘米数十万亿至数百万亿个粒子，高于实验室真空，但远低于地球大气。不过，这样的太空区域已足以维持声波传播。如果物质密度足够高，就会变得粘滞，促使物质团逐渐聚集形成行星。这依赖于盘内的声速，如果没有声速，粒子会倾向于绕恒星运行，无法形成行星。

换句话说，若太空中没有声音，我们可能就没办法在此讨论太空中的声音问题了。到这里，我们或许应该把《异形》里的那句台词改成这样：太空中没人能听到你的尖叫，除非你选对位置并提高音量。