2021/07/04 環球科學
EAST人造太陽不久前實現了將1.5億攝氏度高溫等離子體維持101秒的記錄，標誌著我們走向可控核聚變的重要一步。 可控核聚變的原理，本質上就是把兩顆氫原子核捏成一顆氦原子核。 為此，必須用高達數億度的溫度將其“捏”在一起。
那麼問題來了：這麼高的溫度，我們是如何測量的呢？ 會有一個能測出這麼高溫度的溫度計嗎？
你真的知道溫度是什麼嗎
質量描述的是物體有多少物質，長度描述的是物體佔據一維空間的大小，那麼溫度（temperature）到底是什麼呢？ 我們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。
雖然人們不知道溫度到底是什麼，但科學家很早就知道物體的熱脹冷縮現象。 利用這一點，人們很早就發明了溫度計，利用液體的不同體積和其溫度的對應關係，來測量溫度。
人體表面溫度的分佈。
為了描述溫度的高低，人們發明了不同的溫標。 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180份，每份就是1°F。
攝氏度與華氏度。 圖片：http://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。 人們發現，越熱的物體，其中的小微粒的運動也越快，而越冷的物體，其中的小微粒的運動就越慢。 （其實準確地說，熱的物體其單獨的某一分子運動並非一定比冷的物體快，只是整體平均來看，熱的物體所有分子的“平均速度”比冷物體的分子平均速度快）。
此時我們才真正理解溫度的本質：溫度是構成物體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：https://study.com/
（按定義來說，溫度是構成物體的微粒的“平均動能”的量度，溫度正比於這一平均動能，而動能正比於運動速度的平方。為了方便理解，此處簡化為溫度與微粒的運動 速度相關。）
於是，人們就找到了一個真正意義上的溫度的零點，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為零度。 這就是我們通常所說的“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-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，這種溫標也被稱為開爾文溫標（K）。
三種溫標的比較。 圖片來源：https://files.mtstatic.com/
曲線：常見的測溫工具
在測量某個物理量的時候，我們有兩種不同的策略：測量這個量的本身，或者測量這個量所引起的其他效果。
例如，我們要測量一個長方體的體積，可以有兩種方法：測量其長寬高，然後相乘得到體積，這就是直接測量體積本身。 另一種方法是，我們將這個長方體浸入水中，測量排出的水的多少，來換算成長方體的體積。 這種方法實際上是在測量“體積所引起的排水效應”，從而間接測量體積這個物理量。
前面我們講過，溫度描述的是物體中的微粒運動的速度。 由於我們很難將微粒剝離出來並且逐個測量其速度，所以日常生活中我們使用的測溫裝置，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會發出不同的紅外線 的原理。
一種測溫槍。 圖片：https://www.pce-instruments.com
電子設備或家用電器上常用的測溫元件，因為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種。
熱電偶（thermocouple）顧名思義，一般由兩根不同的平行金屬絲組成，它們的一端可以稱為“受熱端”，而另一端可以稱為“冷端”。
受熱端受熱時，其內部有些電子會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，因此在它們的冷端，電子的分佈是有差異的，因此測量這 兩個冷端之間的電壓，即可知道它們受熱端所處的溫度了。
熱電偶的原理。 圖片：http://yunrun.com.cn/
而熱敏電阻（thermistor）則是一種特殊的電阻，其電阻值會受到溫度高低的影響。 因此只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的溫度達到1億度時，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。 要想測量這麼高的溫度，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1億度高溫下，進行溫度測量，那就只能測量微粒運動的速度了。
在人造太陽中，待測溫的工作物體是等離子體（plasma），構成等離子體的微粒是電子和離子。 圍繞著這兩種微粒，科學家發明了一系列不同的測速工具。
其中一種方法是基於磁場的。 當電子在磁場中運動時，磁場會對其施加一種稱為“洛倫茲力”的作用力，使其進行螺旋運動。
而電子是帶電的，進行旋轉運動時會發射出電磁波，這電磁波的頻率跟電子旋轉的速度有關。 這樣，我們只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，我們就可以度量電子的溫度。
（按定義來說，溫度是“平均動能”的量度，因此只測量一個電子的速度，並不能得出其溫度。要想判斷等離子體的溫度，必須測量一系列的電子，將其速度擬合 到麥克斯韋-玻爾茲曼分佈上。）
在磁場中，不同運動速度的電子會產生不同頻率的螺旋，進而產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現，就是當鳴笛的汽車從我們身邊駛過。 當汽車逐漸靠近我們時，鳴笛的音調會較高；而汽車離我們遠去時，其鳴笛的音調會聽起來更低一些。
多普勒效應原理示意圖。 圖片：baidu.com
這是因為，汽車的運動速度影響了聲音到達耳朵時的聲速，從而使得我們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。 反射波的頻率會因為車速的影響而產生改變，因此測量這一改變的大小就可計算出車速。 如果向等離子體中發出一束激光，那麼激光就會與其中的電子發生相互作用，而產生該激光的散射（這一現象稱為“湯姆遜散射”）。
散射出來的激光跟入射激光相對來說，其頻率會稍有不同，這是由於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：左側的激光照在電子上發生湯姆遜散射，由於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：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，進而算出等離子體的溫度。
變廢為寶：離子測速
測量1億度的高溫，不能只依賴一種方法。 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。
由於氫離子僅由一顆質子構成，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。 但人們發現，等離子體中不可避免地會混入一些雜質，這些雜質成分給了科學家以靈感。
例如，有些等離子體約束裝置中會含有金屬鎢，這就使得工作等離子體中混有痕跡量的鎢。 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，以至於在1億度的高溫下，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發出X射線輻射，這一輻射同樣也會因為鎢離子本身的速度而產生多普勒效應。 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。
多個測溫方法都有其優劣點，聯合運用才可以更準確地測得溫度。
何時才能實現“能量自由”？
對於人類社會來說，能源是推動社會發展的重要動力，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的糧食產量大為增加，而機械和肥料都是需要大量能量才能獲得的物資；汽車和飛機讓人們的交通更加便捷，從北京到上海只要幾個小時，這 在前工業時代是不可想像的。
如果難以理解可控核聚變對人類的意義，不妨來考慮一下人類馴服野牛野馬的過程。 牛馬等畜力為人類提供了充足而廉價的動力來源，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。
而核聚變與牛馬的不同就在於，一克核聚變燃料所能釋放的能量，約等於一匹馬不眠不休地工作14.5年所貢獻的能量。
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，讓我們期待人類早日實現“能量自由”吧！
參考文獻：[1] Dooley P (2012) Seeing the light: monitoring fusion experiments. Science in School 24: 12-16.[2] Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22 : 42-48.[3] https://web.archive.org/web/20070221005552/http://mathworld.wolfram.com/MaxwellDistribution.html.