馬赫 <馬赫數的定名人> 江銘輝 五夢網
圖：馬赫是馬赫數的定名人，以開創「震爆波」的研究，也是物理哲學家，邏輯的實證主義者，相對論的先驅。
一、 生平
因特斯.馬赫（Ernest Mach；圖）是奧國物理學家、心理學家和科學家，他是馬赫數（Mach number）的定名人，以開創「震爆波」（Shock waves）的研究聞名於世，作為物理哲學家，他是邏輯的實證主義者，相對論的先驅。
由於出生地記載的是圖拉斯（Turas，也是今日布爾諾的一部分），因此給佩里格林魏斯洗禮（Peregrin Weiss baptized），同時加入圖拉斯的羅馬天主教教會。
在14歲時，他先在家裡接受父親的教育，然後進入茲林的克萊姆西爾（Kremsier）的大學預備學校讀3年。1855年他進入維也納大學，學習物理和一學期的醫學生理課程。
1860年獲得維也納大學博士（Univ. of Vienna），後第一年，他先作調適，這時他將工作致力於光學和聲學的都蔔勒效應。1864年，他在葛拉次（Craz）大學當數學教授，並拒絕蘇爾堡（Salzburg）大學外科學教授的職位，1866年，他當物理教授。在此期間，馬赫繼續他在心理物理學和感官知覺的工作。1867年，他他當位於布拉格的查爾斯 -費迪南大學（Charles-Ferdinand University）的實驗物理教授，在那裡他呆了28年。1895年他應母校維也納大學聘請，主持「歸納科學的歷史和理論」講座，創出舉世聞名的科學納法。
1898馬赫曾一度心臟停跳，因此在 1901年從維也納大學退休，並獲委任到奧地利國會上院。在1913年離開維也納後，他移居到他兒子的家中瓦特斯帝騰（vaterstetten，靠近慕尼克），在那裡他繼續寫作和相應的，直到1916年2月19日去世。
二、相對論的先驅者
1883年，馬赫的名著《力學史評》一書問世，該書對牛頓力學從科學的、歷史的和哲學的角度進行了全面的分析和批判。他聲稱：科學的現象敘述只不過是一種我們經驗的簡單表示罷了。科學對我們有用是因為它能使我們很快的回想到過去的經驗，用來處理新環境和新遭遇。此外，他也認為牛頓的「絕對空間、絕對時間」理論是不正確的，對「絕對空間」他說：「物體的運動，只有在與宇宙中其餘物體的關係比照下，才有意義，因此絕對空間並不存在。」至於「絕對時間」，他說：「當我們描述一件事情經過的時間，是用時鐘上轉輪的轉數多少來計算，而非絕對時間的經過，因此，什麼是絕對時間是無法單獨存在的。」馬赫的這種獨到的見解，大大影響晚生的愛因斯坦（Albert Einastein）。愛因斯坦非常贊揚馬赫的理論，稱他是相對論的先驅，在悼念馬赫的文章中，愛因斯坦寫道：「馬赫在他的<力學史評>中衝擊這種教條式的信念，當我是一名學生的實候，這本書正是在這方面給我深刻的影響。」
馬赫一生中最重要的是致力於實驗物理之研究，尤其是開創震爆波的理論。在作過無數次物理實驗並發表一百多篇研究論文之後，他發現了「震爆波」並拍下清楚的「震爆波」照片，訂下物體速度與聲音速度的比，稱為馬赫數，依據馬赫數的大小，他繼續研究物體運動速度如果超出聲速，會產生何種現象。雖然在他的時代沒有超音速交通工具，但他已經開始超音速物體理論研究。但是，他一定沒有想到，在他去世數十年後，由於超聲速飛機的飛行以及原子彈的爆炸，使他的研究成果倍加受到重視，以他的名字命名的，如馬赫數、馬赫效應、馬赫波、馬赫角在空氣動力學中廣泛被使用，這也是他在力學上的歷史貢獻。
三、馬赫數與馬赫效應關係：
1.聲音速度
音速，也稱“聲速”，是聲波在介質中的傳播速度。它同介質的性質和狀態（如溫度）有關。在0℃時，海平面空氣中音速為每小時1192.9千米，每升高1℃ 音速約增加每小時2.16千米。水中音速約為每小時5184千米。在不同氣象條件下、在不同高度，音速是不同的， 空氣中聲音的速度雖然依空氣的溫度而變（若空氣的溫度愈高，則聲音的速 度愈快），通常是每秒340公尺，若換算成時速，則每小時1,200公里。
2.何謂馬赫數
人類使用運輸工具會超過聲音速度是在發明噴射機以後的事，從那時候起，在速度上「馬赫」就開始被派上用場。
M= Vs/V ；Vs是波源（產生波的工具，如噴射機）；V是波的速度，如聲音。
，其中U為流速，C為音速。音速為壓力波（聲波）在流體中傳遞的速度。
1馬赫等於1個聲音的速度。因此若有一物體以大於1馬赫在運動，則表示該物體運動的速度超過音速。如下圖，當噴射機以1馬赫的速度飛行時，在地上便可聽到極大的爆音，為什麼會發生這種現象呢？當聲源（噴射機）靜止時，聲波向各方面均勻擴張（圖1），因此人無論在東方或南方，只要至聲源的距離相等，都會聽到相同聲音。
但若聲源移動，則會變成什麼結果呢？
圖1：當聲源（噴射機）靜止時，聲波向各方面均勻擴張
當聲源沒有超過1馬赫，以聲源為中心而作圓形擴張的音波，朝著聲源前進方向的聲波，其間隔會變得狹窄，但由於聲源速度比音速小，因此聲音絕不會被聲源（噴射機）趕上。圖2，當噴射機向東飛時，聲波向東偏移（假設圖的右方為東方），由圖知對於在東方的人來說，聲源愈來愈近，圓與圓間隔愈來愈窄。相反地，對於在東方的人來說，聲源愈來愈遠，圓與圓間隔愈來愈寬。這時西方的人聽的聲音次數比西方的人還多。當聲源速度比音速慢時，例如火車或救護車的警笛聲，在東方的人會覺得是「尖銳聲音」。
圖2：當噴射機向東飛時，聲波向東偏移，圓與圓間隔愈來愈窄。
若如圖3，聲源的速度為1馬赫，所有聲波會朝聲源前進方向全部擠壓在一起，聲源尖端部分的空氣被強力壓縮，因此會在聲源前進的垂直方向產生「震爆波」。這時與聲源前進方向同一方的人，便可由正面，一瞬間聽到聲源從過去到現在所有發出的聲音。這就是「震爆波」。當聲源超過1馬赫時（圖4），由於聲波被留在後方，因此震爆波會朝後方移動，由於聲波被留在後方，因此震爆波會朝後方移動。結果，必須等聲源通過後才能聽到震爆波，同時噴射機是超音速，所以在噴射機後面產生小於1氣壓的負壓。因此在強大壓力之後，氣壓突然減低，其變化產生更可怕的震動。
圖3：聲源的速度為1馬赫，所有聲波會朝聲源前進方向全部擠壓在一起
圖4：聲源超過1馬赫時，由於聲波被留在後方，因此震爆波會朝後方移動
3.實例：
以實例說明，上述圖1、2波源的前進速度比波的速度快，因此波源產生的波浪無法追感舊的波。波就這樣遺`一直擴張出去。如果波源移動術速度一直增加，與波前進速度同速（如圖3）或超前（如圖4），則前面的波還來不及擴展就被壓碎了，波源後方形成對各圓形波共同切線的形態且逐漸擴大的三角形波面。因水波的速度不快，一般船隻和水鳥前進的速度都比它快，所以我們很容易看到水鳥在水中游泳，牠的後面就成三角形的波形（如圖5）。如圖4，現在我們再回頭考慮超音速飛行的噴射機在空中的速度為vs，聲波的速度為v，在時間t0時，這袈飛機在S0，後經過t1飛到S1， t2飛到S2……tn飛到Sn，這時. Sn剛產生波，所以波的半徑是0，我們可以將Sn（點）到S0（最初的波峰）劃一條切線，波前的包封形成一個錐形，它的頂角是sin θ＝v/vs ，是馬郝數的倒數（圖6）。
vs/v是馬赫數，當超音速時vs＞v，這個錐形的波前就叫震爆波（Wave Shock）。
圖5：水鳥在水中游泳，牠的後面就成三角形的波形
圖6：超音速飛行的噴射機在空中它的震爆波成圓錐形