普通温度计也就几百度,科学家是如何测量一亿度的高温?


本文摘自森罗万象视频,侵删。

综述

为解决地球越发枯竭的能源环境,国际社会于2016年提出了“国际热核聚变实验反应堆计划”,该计划意在解决人类即将面临的能源危机,将现有的能源合理化利用,同时创造出可持续再生的强大能源。

同年,我国中科院也发起了一项名为“EAST人造太阳”计划,其中EAST是由中国独立设计制造的,世界首个全超导核聚变实验装置,利用这些装置能够实现对太阳的“全面复刻”。

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而就在去年,EAST人造太阳实现了将1.5亿摄氏度高温等离子体维持1056秒的记录,这标志着我国科学正迈步走向可控核聚变的重要方向。

在赞美我国取得的惊人成就的同时也有不少人好奇,如此这般的高温,科学家到底是怎么测量出来的呢?

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什么是温度?

在了解温度如何测量之前,我们首先得知道温度是如何产生的。

在现有的物理规律下,我们发现所有的物质都是由微观粒子组成的,尽管肉眼看不到这些微观粒子,但可以肯定的是它们绝对存在,而且无时无刻不再做着微观运动。

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科学家经过研究后发现,当组成物体的微观粒子运动越快,该物体的温度也就越高;反之也是一样。

可以明显地看出,温度的产生离不开微观粒子的运动,实际上温度的本质就是组成物体的基本微观粒子,其在运动时传递能量的多寡;这种能量在释放时会产生高温,最终形成人类可以感知的温度。

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我们都知道绝对零度是零下273.15摄氏度,在这个温度下,所有的微观粒子都被冻结,再也不可能产生任何能量,这也是为何温度只有下限却没有上限这一说。因为微观粒子的运动可以永无止境,但停下来就只有那一刻而已。

当微观粒子彻底失去活力,变得静止不动时,科学家发现那是零下273.15摄氏度的极寒。

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很多人都说天空的温度极低,那是因为太空中缺少保持物体温度的基本粒子,它是一个真空的环境,基本上没有任何微观粒子;在这种情况下,太空中自然缺乏能量的载体,也就不可能具备极高的温度。

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因为了解了温度产生的源头,聪明的科学家利用现实物质发明出了很多可以检测温度的工具,例如有科学家发现温度升高会导致水银的体积膨胀,而且这种膨胀是固定性的,那这样我们就能通过水银膨胀时的反应来测量温度的多少,所以温度计就应运而生,并被广泛应用于医疗卫生行业。

不过水银由于其脆弱的外壳对温度的测量毕竟是有限的,当外界温度高于150度时,水银的外壳就会被胀破发生爆炸

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这也给了科学家一个新的灵感:即当物体的温度过高时,一般的物体在靠近它时会出现巨大的变化,尤其是那种人造的精密器械在高温面前不堪一击,很难去检测它的基本温度。

这时候就有人开始考虑了,既然从宏观世界来看,我们无法用人造的精密仪器去测量物体的温度,那如果从微观世界入手呢

如果我们能检测出微观粒子运动速度、如果说我们能计算出粒子运动速度和其产生温度的比例,那温度不自然就推算出来了吗?这也就是科学家用来测量1亿度高温的方法!

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高温应该如何检测?

很多人都以为科学家测量温度需要外界的仪器靠近温度源头进行测量,这种方式面对低温时自然有用,可那是1亿度的可怕高温,任何物体在接近它时都会瞬间灰飞烟灭,想要测量它的真实温度,就必须要回归到微观世界中来。

就目前而言,科学家掌握的测量上亿度高温的方法还真不少,而且随着人类在微观世界的认知加深和科技进步,会有越来越多得心应手的方法被研究出来。

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不过考虑到测量规模和实际测量成本,目前来说最被普遍接受的测量上亿度高温的方法无非两个:一是多普勒效应、二是洛伦磁力

多普勒效应比较好理解,就像我们朝着湖面投去一颗石子,石子在接触水面时,势必会掀起阵阵涟漪,如果以物理学的角度去理解,这实际上就是波动频率

当一个不断散发波动的物体和另一个物体的距离产生变化时,他们之间的波动频率会因两个物体之间的距离变化而变化。

以多普勒效应为核心,利用波粒二象性和光电效应基本原理,科学家就能通过观察基本粒子表现出的颜色,来推断其运动时的频率震动,从而算出它所拥有的能量。

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洛伦磁力实际上是利用微观粒子在磁场中移动带起的影响来检测温度

以带电粒子为例,带电粒子粒子在运动过程中是蕴含能量传递的,这种传递如果控制施加力的方向,就能形成稳定的磁场波动,也就是电磁波,通过检测物体的电磁波,然后推算出其真实温度。

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结语

很多人不明白为何科学家一直在追求无穷尽的温度上限,这是因为温度在产生后会聚集能量,越是高的温度,所产生的能量也就越大;科学家非常希望能够通过对这种能量的控制来改变人类现有的能源结构,就像是可控核聚变目标一样,如果真到了那一天,人类将迎来巨大的飞跃。

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