มนุษย์หลงใหลความเร็วมาเนิ่นนานแล้ว
สิ่งหนึ่งในประวัติศาสตร์ความก้าวหน้าของมนุษย์ คือการเพิ่มความเร็วให้มากยิ่งขึ้น
และหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุด ของความพยายามที่ยาวนานนี้
คือการทำลายกำแพงเสียงลงให้ได้
ไม่นานนักหลังจากการนำเครื่องบิน ขึ้นบินได้สำเร็จเป็นครั้งแรก
นักบินต่างต้องการ ที่จะให้เครื่องบินบินให้เร็วขึ้นและเร็วขึ้นไปอีก
แต่เมื่อทำเช่นนั้นแล้ว จะทำให้เครื่องบินสั่นมากขึ้น
แรงกดมหาศาลต่อเครื่องบิน ทำให้พวกเขาเร่งความเร็วขึ้นไปอีกไม่ได้
บางคนพยายามแก้ปัญหา ด้วยการลองเสี่ยงดำลงไปในน้ำ
แต่ก็มักได้ผลลัพท์ที่น่าเศร้า
ในที่สุด ในปี ค.ศ. 1947 มีการออกแบบที่ดีมากยิ่งขึ้น
เช่นมีที่ปรับตัวปรับสมดุลระดับแนวนอนเคลื่อนที่ได้ และหางเสือที่เคลื่อนไหวได้ทั้งหมด
ทำให้ทหารอากาศชาวอเมริกันที่ชื่อว่า ชัค เยเกอร์
นำเครื่องบิน เบลล์ เอ็กซ์วัน บินที่ความเร็ว 1,127 กิโลเมตรต่อชั่วโมงได้สำเร็จ
กลายเป็นมนุษย์คนแรก ที่ทำลายกำแพงเสียงลงได้
และเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วเสียง
เบลล์ เอ็กซ์วัน เป็นเครื่องบินเหนือเสียงลำแรก ก่อนที่จะมีรุ่นอื่น ๆ ตามมา
โดยรุ่นล่าสุดทำความเร็วเหนือเสียง ไปได้มากกว่า 3 มัคแล้ว
เครืองบินที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเสียง จะสร้างคลื่นกระแทกออกมา
ด้วยเสียงดังราวกับฟ้าผ่า ที่รู้จักกันในชื่อว่า คลื่นโซนิคบูม
ที่อาจไปรบกวนคนและสัตว์ที่อยู่ด้านล่าง
หรือแม้กระทั่งสร้างความเสียหาย ให้กับบ้านเรือน
ด้วยเหตุผลนี้เอง
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงสนใจคลื่นโซนิคบูมนี้
โดยพยายามทำนายเส้นทางของมันในบรรยากาศ
ที่ที่มันจะตกกระทบ และระดับเสียงของมัน
เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่า นักวิทยาศาสตร์ ศึกษาเรื่องของคลื่นโซนิคบูมอย่างไร
เรามาเริ่มจากพื้นฐาน การกำเนิดของเสียงกันก่อน
ลองคิดว่า เราโยนก้อนหินเล็ก ๆ ลงไปในบ่อน้ำที่สงบนิ่งดู
เห็นอะไรไหม
ก้อนหินทำให้เกิดคลื่นเดินทางไปในน้ำ
ด้วยความเร็วเท่า ๆ กันในทุกทิศทาง
วงกลมที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆในทุกทิศทางนี้ เรียกว่าแนวคลื่น
คล้ายกัน แม้เราจะมองไม่เห็นมันก็ตาม
แหล่งต้นกำเนิดเสียงของมัน ก็คล้ายกับเครื่องเสียงภายในบ้าน
สร้างคลื่นเสียงที่เดินทางออกมาเรื่อย ๆ
ความเร็วคลื่นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ
รวมถึงระดับความสูงและอุณหภูมิของอากาศ ที่มันเคลื่อนที่ผ่านไป
ที่ระดับน้ำทะเล เสียงเคลื่อนที่เร็วประมาณ 1,225 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
แต่แทนที่จะเป็นวงกลมบนพื้นผิวสองมิติ
ตอนนี้หน้าคลื่นมีศูนย์กลางเป็นทรงกลม
โดยมีเสียงที่เดินทางไปตามแนวรังสี ที่ตั้งฉากกับแนวคลื่นเหล่านี้
มาลองคิดถึงแหล่งกำเนิดเสียงที่เคลื่อนที่ อย่างนกหวีดรถไฟดู
เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงกำลังเคลื่อนที่ ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง
คลื่นด้านหน้าของมันที่มีความต่อเนื่อง จะทำให้คลื่นรวมใกล้กันมากขึ้น
คลื่นความถี่ที่สูงขึ้นนี้ ทำให้เกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่โด่งดัง
ที่ยิ่งวัตถุนั้นเข้าใกล้มากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งมึเสียงแหลมสูงมากขึ้นเท่านั้น
แต่ตราบใดที่ต้นเสียงยังเคลื่อนที่ช้ากว่า คลื่นเสียงที่มันสร้างขึ้น
พวกมันจะซ้อนยู่ภายในซึ่งกันและกัน
แต่เมื่อวัตถุกลายเป็นซุปเปอร์โซนิค ที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเสียงที่มันสร้าง
นั่นทำให้เกิดความแตกต่างขึ้นอย่างมาก
ในขณะที่มันแซงหน้าคลื่นที่มันได้ปล่อยออกมา
ระหว่างนั้นมันก็สร้างคลื่นขึ้นใหม่ ณ ตำแหน่งที่มันอยู่
คลื่นจะถูกอัดเข้าด้วยกันกลายเป็นกรวยหน้าคลื่นมัค (Mach cone)
ผู้สังเกตุการณ์จะไม่ได้ยินเสียงใด ๆ ในขณะที่มันเข้ามาใกล้
เพราะวัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่า เสียงที่มันสร้างขึ้นมา
หลังจากวัตถุผ่านไป ผู้สังเกตุการณ์ถึงจะได้ยินเสียงโซนิคบูมนี้
เมื่อกรวยมัคกระทบกับพื้นดิน มันจะสร้างไฮเพอร์โบลาขึ้นมา
ทิ้งหางที่รู้จักกันในชื่อว่าหางพรม (boom carpet) เมื่อมันเคลื่อนที่ไปข้างหน้า
นี่จึงทำให้เราสามารถวัดพื้นที่ ที่ได้รับผลกระทบของโซนิคบูมได้
แล้วจะหาความแรง ของคลื่นโซนิคบูมได้อย่างไรล่ะ
มันต้องใช้การแก้ปัญหาสมการนาเวียร์-สโตกส์ ที่มีชื่อเสียง
เพื่อค้นหาความแปรผันของความกดอากาศ
อันเนื่องมาจากการบินผ่าน ของเครื่องบินเหนือเสียง
ผลลัพธ์ก็คือคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์ ที่เรียกว่า เอ็นเวฟ (N-wave)
รูปร่างนี้มีความหมายว่าอย่างไร
โซนิคบูมเกิดขึ้น เมื่อความดันเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว
และเอ็นเวฟเกี่ยวข้องกับโซนิคบูมสองครั้ง
ส่วนแรกคือความดันแรก ที่เพิ่มขึ้นบริเวณส่วนปลายหัวของเครื่องบิน
และอีกส่วนที่หางที่ผ่านเข้ามา
และความดันก็กลับไปสู่ปกติในทันที
มันจึงทำให้เกิดโซนิคบูมสองครั้ง
แต่หูมนุษย์มักจะได้ยินเพียงครั้งเดียวเท่านั้น
ในทางปฎิบัติ ตัวอย่างจำลองในคอมพิวเตอร์ ที่ใช้หลักการเดียวกันนี้
สามารถคาดการณ์ตำแหน่ง และความเข้มของโซนิคบูมได้
ในแต่ละสภาพบรรยากาศและวิถีการบิน
และก็มีการวิจัยที่กำลังศึกษา เพื่อลดผลกระทบผลของมัน
ระหว่างนี้ เครื่องบินเหนือเสียง ยังคงถูกห้ามบินเหนือผืนดิน
แล้วโซนิคบูมเป็นสิ่งใหม่ ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นใช่ไหม
ก็ไม่ใช่เสียทีเดียว
ในขณะที่เรากำลังพยายามหาทาง ทำให้มันเงียบลงอยู่นั้น
สัตว์บางชนิดใช้คลื่นเหนือเสียงนี้ ให้เป็นประโยชน์
ไดโนเสาร์ ไดพลอโดคัส อาจสามารถสะบัดหางของมัน
ด้วยความเร็วเหนือเสียงที่มากกว่า 1,200 กิโลเมตรต่อขั่วโมงเพื่อไล่นักล่า
กุ้งบางชนิดสามารถสร้างสิ่งที่คล้ายกันนี้ อย่างคลื่นกระแทกใต้น้ำ
ทำให้เหยื่อหยุดค้างอยู่กับที่ หรือทำให้เหยื่อตายในระยะไกล
เพียงแค่ดีดก้ามใหญ่โตของมันเท่านั้น
ในขณะที่มนุษย์กำลังพัฒนา สุดยอดความก้าวหน้านี้ขึ้นมา
ด้วยการแสวงหาความรวดเร็วอย่างไม่หยุดยั้ง
กลับกลายเป็นว่าธรรมชาติทำได้ก่อนแล้ว