我國的EAST人造太陽不久前實現了將1.5億(yi) 攝氏度高溫等離子體(ti) 維持101秒的記錄，標誌著我們(men) 走向可控核聚變的重要一步。可控核聚變的原理，本質上就是把兩(liang) 顆氫原子核捏成一顆氦原子核。為(wei) 此，必須用高達數億(yi) 度的溫度將其“捏”在一起。

　　那麽(me) 問題來了：這麽(me) 高的溫度，我們(men) 是如何測量的呢？會(hui) 有一個(ge) 能測出這麽(me) 高溫度的溫度計嗎？

　　什麽(me) 是溫度？

　　質量描述的是物體(ti) 有多少物質，長度描述的是物體(ti) 占據一維空間的大小，那麽(me) 溫度（temperature）到底是什麽(me) 呢？我們(men) 可以直觀地感受到物質的冷熱，但對溫度的本質卻並不了解。

　　雖然人們(men) 不知道溫度到底是什麽(me) ，但科學家很早就知道物體(ti) 的熱脹冷縮現象。利用這一點，人們(men) 很早就發明了溫度計，利用液體(ti) 的不同體(ti) 積和其溫度的對應關(guan) 係，來測量溫度。

　　人體(ti) 表麵溫度的分布。圖片來源：百度百科

　　為(wei) 了描述溫度的高低，人們(men) 發明了不同的溫標。例如攝氏溫標（°C）規定，水的凝固點是0°C，沸點是100°C，將其中的溫度差平均分為(wei) 100份，每份就是1°C。

　　而華氏溫標（°F）規定，水的凝固點是32°F，沸點是212°F，其中的溫度差平均分為(wei) 180份，每份就是1°F。

　　攝氏度與(yu) 華氏度 圖片來源：https://www.vimsky.com

　　直到近代，物理學家才了解到物質都是由小微粒組成的，而且這些小微粒都在不停地做著無規則的運動。人們(men) 發現，越熱的物體(ti) ，其中的小微粒的運動也越快，而越冷的物體(ti) ，其中的小微粒的運動就越慢。（其實準確地說，熱的物體(ti) 其單獨的某一分子運動並非一定比冷的物體(ti) 快，隻是整體(ti) 平均來看，熱的物體(ti) 所有分子的“平均速度”比冷物體(ti) 的分子平均速度快）。

　　此時我們(men) 才真正理解溫度的本質：溫度是構成物體(ti) 的微粒的平均運動速度的量度。

　　溫度升高，微粒的隨機運動加快 圖片來源：https://study.com/

　　（按定義(yi) 來說，溫度是構成物體(ti) 的微粒的“平均動能”的量度，溫度正比於(yu) 這一平均動能，而動能正比於(yu) 運動速度的平方。為(wei) 了方便理解，此處簡化為(wei) 溫度與(yu) 微粒的運動速度相關(guan) 。）

　　於(yu) 是，人們(men) 就找到了一個(ge) 真正意義(yi) 上的溫度的零點，也就是當微粒的隨機運動完全停止的時候，此時的溫度就應當定義(yi) 為(wei) 零度。這就是我們(men) 通常所說的“絕對零度”（absolute zero）。

　　經過理論計算可以發現，這一絕對零度的數值約為(wei) -273.15°C。如果把攝氏溫標中的零點位置向下挪動273.15°C，這樣所有的溫度就都是正數，這種溫標也被稱為(wei) 開爾文溫標（K）。

　　三種溫標的比較 圖片來源：https://files.mtstatic.com/

　　曲線救國：常見的測溫工具

　　在測量某個(ge) 物理量的時候，我們(men) 有兩(liang) 種不同的策略：測量這個(ge) 量的本身，或者測量這個(ge) 量所引起的其他效果。

　　例如，我們(men) 要測量一個(ge) 長方體(ti) 的體(ti) 積，可以有兩(liang) 種方法：測量其長寬高，然後相乘得到體(ti) 積，這就是直接測量體(ti) 積本身。另一種方法是，我們(men) 將這個(ge) 長方體(ti) 浸入水中，測量排出的水的多少，來換算成長方體(ti) 的體(ti) 積。這種方法實際上是在測量“體(ti) 積所引起的排水效應”，從(cong) 而間接測量體(ti) 積這個(ge) 物理量。

　　前麵我們(men) 講過，溫度描述的是物體(ti) 中的微粒運動的速度。由於(yu) 我們(men) 很難將微粒剝離出來並且逐個(ge) 測量其速度，所以日常生活中我們(men) 使用的測溫裝置，往往都是在測量“溫度引起的其他效應”。

　　最簡單的就是上文提到過的液體(ti) 溫度計，利用的是溫度引起的熱脹冷縮效應；疫情防控常用的測溫槍和測溫攝像頭，利用的是不同溫度的物體(ti) 會(hui) 發出不同的紅外線的原理。

　　一種測溫槍 圖片來源：https://www.pce-instruments.com

　　電子設備或家用電器上常用的測溫元件，因為(wei) 涉及到和電路相互作用，所以主要選用熱電偶和熱敏電阻兩(liang) 種。

　　熱電偶（thermocouple）顧名思義(yi) ，一般由兩(liang) 根不同的平行金屬絲(si) 組成，它們(men) 的一端可以稱為(wei) “受熱端”，而另一端可以稱為(wei) “冷端”。

　　受熱端受熱時，其內(nei) 部有些電子會(hui) 獲得足夠的能量而跑到冷端；不同的金屬，其電子受熱逃脫的程度不同，因此在它們(men) 的冷端，電子的分布是有差異的，因此測量這兩(liang) 個(ge) 冷端之間的電壓，即可知道它們(men) 受熱端所處的溫度了。

　　熱電偶的原理 圖片來源：https://yunrun.com.cn/

　　而熱敏電阻（thermistor）則是一種特殊的電阻，其電阻值會(hui) 受到溫度高低的影響。因此隻要測量電阻阻值的大小，就可以間接知道其溫度的高低了。

　　熱敏電阻 圖片來源：https://www.electrokit.com/

　　所有這些測溫工具，並不是直接測量溫度的本質——微粒運動的快慢，而是都依賴溫度的某個(ge) 其他效應，也就是需要其他物質做媒介。

　　可是當人造太陽中等離子體(ti) 的溫度達到1億(yi) 度時，沒有任何物質能夠存在其旁邊，所以這些間接的方法也就都失效了。要想測量這麽(me) 高的溫度，是時候回歸溫度的本質了。

　　電子測速：多管齊下

　　既然溫度的本質是物質中微粒運動速度的快慢，要想在在1億(yi) 度高溫下，進行溫度測量，那就隻能測量微粒運動的速度了。

　　在人造太陽中，待測溫的工作物體(ti) 是等離子體(ti) （plasma），構成等離子體(ti) 的微粒是電子和離子。圍繞著這兩(liang) 種微粒，科學家發明了一係列不同的測速工具。

　　其中一種方法是基於(yu) 磁場的。當電子在磁場中運動時，磁場會(hui) 對其施加一種稱為(wei) “洛倫(lun) 茲(zi) 力”的作用力，使其進行螺旋運動。電子的運動速度越快，其旋轉的頻率就越快（學過洛倫(lun) 茲(zi) 力的朋友可以留言嚐試推導一下）。

　　而電子是帶電的，進行旋轉運動時會(hui) 發射出電磁波，這電磁波的頻率跟電子旋轉的頻率有關(guan) 。這樣，我們(men) 隻要檢測這電磁波的頻率，就可以通過推導出的數學規律來計算出電子運動的速度。而根據這速度，我們(men) 就可以度量電子的溫度。

　　（按定義(yi) 來說，溫度是“平均動能”的量度，因此隻測量一個(ge) 電子的速度，並不能得出其溫度。要想判斷等離子體(ti) 的溫度，必須測量一係列的電子，將其速度擬合到麥克斯韋-玻爾茲(zi) 曼分布上。）

　　在磁場中，不同運動速度的電子會(hui) 產(chan) 生不同頻率的螺旋，進而產(chan) 生不同頻率的電磁波。測定這一電磁波，可以知道電子運動的速度。圖片來源:https://www.scienceinschool.org

　　而另一種方法的原理，跟交警使用的測速儀(yi) 的原理是一樣的，也就是多普勒效應（the Doppler effect）。

　　多普勒效應最直觀的體(ti) 現，就是當鳴笛的汽車從(cong) 我們(men) 身邊駛過。當汽車逐漸靠近我們(men) 時，鳴笛的音調會(hui) 較高；而汽車離我們(men) 遠去時，其鳴笛的音調會(hui) 聽起來更低一些。

　　多普勒效應原理示意圖 圖片來源：baidu***.com

　　這是因為(wei) ，汽車的運動速度影響了聲音到達耳朵時的聲速，從(cong) 而使得我們(men) 感受到的聲音頻率發生了變化。

　　向飛馳的汽車發出一束雷達波，並且接收其反射波。反射波的頻率會(hui) 因為(wei) 車速的影響而產(chan) 生改變，因此測量這一改變的大小就可計算出車速。如果向等離子體(ti) 中發出一束激光，那麽(me) 激光就會(hui) 與(yu) 其中的電子發生相互作用，而產(chan) 生該激光的散射（這一現象稱為(wei) “湯姆遜散射”）。

　　散射出來的激光跟入射激光相對來說，其頻率會(hui) 稍有不同，這是由於(yu) 散射過程受到了電子本身移動速度的影響，就好像雷達波受到車速影響，而改變了頻率一樣。

　　多普勒原理測量電子速度：左側(ce) 的激光照在電子上發生湯姆遜散射，由於(yu) 電子運動速度的影響，散射光的頻率發生變化（變紅或變藍），上方的檢測器可以檢測頻率變化，進而推算電子的速度。圖片來源：https://www.scienceinschool.org

　　通過測量這一頻率的變化，就可以算出電子的運動速度，進而算出等離子體(ti) 的溫度。

　　變廢為(wei) 寶：離子測速

　　測量1億(yi) 度的高溫，不能隻依賴一種方法。除了電子速度的測量之外，科學家需要一些測量離子溫度（也就是說，測量離子速度）的方法。

　　由於(yu) 氫離子僅(jin) 有一顆質子構成，其大小不足以被探測到，所以直接測量氫離子速度不太容易實現。但人們(men) 發現，等離子體(ti) 中不可避免地會(hui) 混入一些雜質，這些雜質成分給了科學家以靈感。

　　例如，有些等離子體(ti) 約束裝置中會(hui) 含有金屬鎢，這就使得工作等離子體(ti) 中混有痕跡量的鎢。鎢原子是較重的原子，這就使其原子核的電磁吸引力非常大，以至於(yu) 在1億(yi) 度的高溫下，仍然能束縛住不少核外電子。

　　在高溫下，被束縛的核外電子會(hui) 發出X射線輻射，這一輻射同樣也會(hui) 因為(wei) 鎢離子本身的速度而產(chan) 生多普勒效應。通過測量這一多普勒效應，也就可以算出該離子的速度，並且進一步推算出離子溫度了。

　　多個(ge) 測溫方法都有其優(you) 劣點，聯合運用才可以更準確地測得溫度。

　　我們(men) 何時才能實現“能量自由”？

　　對於(yu) 人類社會(hui) 來說，能源是推動社會(hui) 發展的重要動力，能源的發展可以極大滿足人類的很多需求。

　　例如，機械和肥料的使用讓人們(men) 的糧食產(chan) 量大為(wei) 增加，而機械和肥料都是需要大量能量才能獲得的物資；汽車和飛機讓人們(men) 的交通更加便捷，從(cong) 北京到上海隻要幾個(ge) 小時，這在前工業(ye) 時代是不可想象的。

　　如果難以理解可控核聚變對人類的意義(yi) ，不妨來考慮一下人類馴服野牛野馬的過程。牛馬等畜力為(wei) 人類提供了充足而廉價(jia) 的動力來源，極大地提升了人類的活動範圍和耕作能力，讓人類得到了更進一步的解放和發展。

　　而核聚變與(yu) 牛馬的不同就在於(yu) ，一克核聚變燃料所能釋放的能量，約等於(yu) 一匹馬不眠不休地工作14.5年所貢獻的能量（馬：求求你做個(ge) 人吧！）。

　　因此，早日實現可控核聚變，獲得“能量自由”的重要性，就不言而喻了。辛勤工作的科研工作者獲得的重要成果來之不易，讓我們(men) 期待人類早日實現“能量自由”吧！

　　參考文獻：

　　Dooley P (2012) Seeing the light: monitoring fusion experiments. Science in School 24: 12-16.

　　Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.

　　https://web.archive.org/web/20070221005552/https://mathworld.wolfram.com/MaxwellDistribution.html

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