75飛秒加熱10萬攝氏度，揭秘最強「熱水器」的真奧義

最新 05-30

本期作者 | 林風

編輯 | kuma

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熱水器在我們生活中隨處可見，比如常用的電熱水器，通上電幾分鐘就可以將水燒開，極大地方便了我們的生活。不過最近瑞典一科研團隊造出了一台新型熱水器，能夠在10萬億分之一秒的時間把水加熱到10萬攝氏度，這個溫度比太陽表面的溫度還高了約20倍，稱之為史上最快熱水器一點也不過分。

太陽表面熾熱的火浪，溫度高達5500℃

l 水的日常加熱方式

我們知道，一切物質的分子都在不停的運動，且是無規則地運動。分子的熱運動跟物體的溫度有關，溫度越高，分子運動也就越快。水的升溫則是來源於傳熱。以電熱水器為例，發熱管在通電的狀態下產生大量熱量並傳遞給周邊的水，待水升溫至設定值後溫控開關自動切斷電源。

微波加熱稍微複雜一些，在電磁場作用下，眾多極化分子的極性隨著電磁場極性改變而改變，分子間頻繁摩擦，電磁能轉化為熱量，物體得以加熱。

l 該項研究製造的超級熱水器有何不同？

瑞典烏普薩拉大學的物理學家卡爾?卡爾曼指出，該熱水器的加熱機理和日常生活中的各種加熱器有著根本性區別。研究人員利用斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的X射線自由電子激光直線加速器相干光源（LCLS）產生的超強、超短波X射線對一股水流進行了照射，高能X射線把水分子中的電子轟出，從而破壞了水分子的電荷平衡[1]。因此，原子之間突然產生了強大的排斥力，並開始劇烈運動。在不足75飛秒（1飛秒只有1秒的一千萬億分之一）的時間內，水從液體變化到等離子體，溫度達到10萬攝氏度。

注1：X射線是由於原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的粒子流，是波長介於紫外線和γ射線之間的電磁波[2]。

注2：等離子體是一種充分電離、整體呈電中性的氣體，由於高溫，電子和離子都可以自由移動。被視為是固、液、氣以外的第四態。

斯坦福直線加速器中心的衛星圖

實驗中，水從液體變為等離子體時，由於時間太短，原子還來不及移動，仍然保持了液態水的密度，這種特異的物質狀態，並不是天然存在的。該實驗中的等離子體與太陽和木星上的等離子體具有一定的相似性，但實驗中的等離子體密度更低，溫度更高。科學家還發現，不同狀態的水在密度、比熱容、熱導率等方面的性質都千差萬別。

等離子球

l 該熱水器對我們的日常生活有何價值？

需要指出的是，實驗中用到的粒子加速器造價不菲，無法服務於普通的日常生活。因此，科學家並不是真的想改造這台「激光大炮」來發明一個超級熱水壺，而是想在高能X射線輻照的極端條件下，改變物質的形態以進行研究。瑞典科學家通過這一研究對不同樣本有了更為深入的理解，實驗數據可用於驗證動力學的理論建模，亦可推動微觀粒子的成像技術發展。

比如，一名叫克勞迪烏斯·斯坦的科學家，在斯坦福直線加速器中心的一項實驗，就用圖像生動地記錄了小水滴被X射線擊穿的過程[3]。