出品：科普中国
制作：慕云深
监制：中国科学院计算机网络信息中心
我国的EAST人造太阳不久前实现了将1.5亿摄氏度高温等离子体维持101秒的记录 ， 标志着我们走向可控核聚变的重要一步 。 可控核聚变的原理 ， 本质上就是把两颗氢原子核捏成一颗氦原子核 。 为此 ， 必须用高达数亿度的温度将其“捏”在一起 。
那么问题来了：这么高的温度 ， 我们是如何测量的呢？会有一个能测出这么高温度的温度计吗？
什么是温度？
质量描述的是物体有多少物质 ， 长度描述的是物体占据一维空间的大小 ， 那么温度（temperature）到底是什么呢？我们可以直观地感受到物质的冷热 ， 但对温度的本质却并不了解 。
虽然人们不知道温度到底是什么 ， 但科学家很早就知道物体的热胀冷缩现象 。 利用这一点 ， 人们很早就发明了温度计 ， 利用液体的不同体积和其温度的对应关系 ， 来测量温度 。
△人体表面温度的分布 。 图片来源：百度百科
为了描述温度的高低 ， 人们发明了不同的温标 。 例如摄氏温标（°C）规定 ， 水的凝固点是0°C ， 沸点是100°C ， 将其中的温度差平均分为100份 ， 每份就是1°C 。
而华氏温标（°F）规定 ， 水的凝固点是32°F ， 沸点是212°F ， 其中的温度差平均分为180份 ， 每份就是1°F 。
△摄氏度与华氏度 图片来源：http://www.vimsky.com
直到近代 ， 物理学家才了解到物质都是由小微粒组成的 ， 而且这些小微粒都在不停地做着无规则的运动 。 人们发现 ， 越热的物体 ， 其中的小微粒的运动也越快 ， 而越冷的物体 ， 其中的小微粒的运动就越慢 。 （其实准确地说 ， 热的物体其单独的某一分子运动并非一定比冷的物体快 ， 只是整体平均来看 ， 热的物体所有分子的“平均速度”比冷物体的分子平均速度快） 。
此时我们才真正理解温度的本质：温度是构成物体的微粒的平均运动速度的量度 。
△温度升高 ， 微粒的随机运动加快 图片来源：https://study.com/
（按定义来说 ， 温度是构成物体的微粒的“平均动能”的量度 ， 温度正比于这一平均动能 ， 而动能正比于运动速度的平方 。 为了方便理解 ， 此处简化为温度与微粒的运动速度相关 。 ）
于是 ， 人们就找到了一个真正意义上的温度的零点 ， 也就是当微粒的随机运动完全停止的时候 ， 此时的温度就应当定义为零度 。 这就是我们通常所说的“绝对零度”（absolute zero） 。
经过理论计算可以发现 ， 这一绝对零度的数值约为-273.15°C 。 如果把摄氏温标中的零点位置向下挪动273.15°C ， 这样所有的温度就都是正数 ， 这种温标也被称为开尔文温标（K） 。
△三种温标的比较 图片来源：https://files.mtstatic.com/
曲线救国：常见的测温工具
在测量某个物理量的时候 ， 我们有两种不同的策略：测量这个量的本身 ， 或者测量这个量所引起的其他效果 。
例如 ， 我们要测量一个长方体的体积 ， 可以有两种方法：测量其长宽高 ， 然后相乘得到体积 ， 这就是直接测量体积本身 。 另一种方法是 ， 我们将这个长方体浸入水中 ， 测量排出的水的多少 ， 来换算成长方体的体积 。 这种方法实际上是在测量“体积所引起的排水效应” ， 从而间接测量体积这个物理量 。
前面我们讲过 ， 温度描述的是物体中的微粒运动的速度 。 由于我们很难将微粒剥离出来并且逐个测量其速度 ， 所以日常生活中我们使用的测温装置 ， 往往都是在测量“温度引起的其他效应” 。
最简单的就是上文提到过的液体温度计 ， 利用的是温度引起的热胀冷缩效应；疫情防控常用的测温枪和测温摄像头 ， 利用的是不同温度的物体会发出不同的红外线的原理 。
△一种测温枪图片来源：https://www.pce-instruments.com
电子设备或家用电器上常用的测温元件 ， 因为涉及到和电路相互作用 ， 所以主要选用热电偶和热敏电阻两种 。
热电偶（thermocouple）顾名思义 ， 一般由两根不同的平行金属丝组成 ， 它们的一端可以称为“受热端” ， 而另一端可以称为“冷端” 。
受热端受热时 ， 其内部有些电子会获得足够的能量而跑到冷端；不同的金属 ， 其电子受热逃脱的程度不同 ， 因此在它们的冷端 ， 电子的分布是有差异的 ， 因此测量这两个冷端之间的电压 ， 即可知道它们受热端所处的温度了 。
△热电偶的原理 图片来源：http://yunrun.com.cn/
而热敏电阻（thermistor）则是一种特殊的电阻 ， 其电阻值会受到温度高低的影响 。 因此只要测量电阻阻值的大小 ， 就可以间接知道其温度的高低了 。
△热敏电阻图片来源：https://www.electrokit.com/
所有这些测温工具 ， 并不是直接测量温度的本质——微粒运动的快慢 ， 而是都依赖温度的某个其他效应 ， 也就是需要其他物质做媒介 。
可是当人造太阳中等离子体的温度达到1亿度时 ， 没有任何物质能够存在其旁边 ， 所以这些间接的方法也就都失效了 。 要想测量这么高的温度 ， 是时候回归温度的本质了 。
电子测速：多管齐下
既然温度的本质是物质中微粒运动速度的快慢 ， 要想在在1亿度高温下 ， 进行温度测量 ， 那就只能测量微粒运动的速度了 。
在人造太阳中 ， 待测温的工作物体是等离子体（plasma） ， 构成等离子体的微粒是电子和离子 。 围绕着这两种微粒 ， 科学家发明了一系列不同的测速工具 。
其中一种方法是基于磁场的 。 当电子在磁场中运动时 ， 磁场会对其施加一种称为“洛伦兹力”的作用力 ， 使其进行螺旋运动 。 电子的运动速度越快 ， 其旋转的频率就越快（学过洛伦兹力的朋友可以留言尝试推导一下） 。
而电子是带电的 ， 进行旋转运动时会发射出电磁波 ， 这电磁波的频率跟电子旋转的频率有关 。 这样 ， 我们只要检测这电磁波的频率 ， 就可以通过推导出的数学规律来计算出电子运动的速度 。 而根据这速度 ， 我们就可以度量电子的温度 。
（按定义来说 ， 温度是“平均动能”的量度 ， 因此只测量一个电子的速度 ， 并不能得出其温度 。 要想判断等离子体的温度 ， 必须测量一系列的电子 ， 将其速度拟合到麦克斯韦-玻尔兹曼分布上 。 ）
△在磁场中 ， 不同运动速度的电子会产生不同频率的螺旋 ， 进而产生不同频率的电磁波 。 测定这一电磁波 ， 可以知道电子运动的速度 。 图片来源:https://www.scienceinschool.org
而另一种方法的原理 ， 跟交警使用的测速仪的原理是一样的 ， 也就是多普勒效应（the Doppler effect） 。
多普勒效应最直观的体现 ， 就是当鸣笛的汽车从我们身边驶过 。 当汽车逐渐靠近我们时 ， 鸣笛的音调会较高；而汽车离我们远去时 ， 其鸣笛的音调会听起来更低一些 。
△多普勒效应原理示意图图片来源：baidu.com
这是因为 ， 汽车的运动速度影响了声音到达耳朵时的声速 ， 从而使得我们感受到的声音频率发生了变化 。
向飞驰的汽车发出一束雷达波 ， 并且接收其反射波 。 反射波的频率会因为车速的影响而产生改变 ， 因此测量这一改变的大小就可计算出车速 。 如果向等离子体中发出一束激光 ， 那么激光就会与其中的电子发生相互作用 ， 而产生该激光的散射（这一现象称为“汤姆逊散射”） 。
散射出来的激光跟入射激光相对来说 ， 其频率会稍有不同 ， 这是由于散射过程受到了电子本身移动速度的影响 ， 就好像雷达波受到车速影响 ， 而改变了频率一样 。
△多普勒原理测量电子速度：左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射 ， 由于电子运动速度的影响 ， 散射光的频率发生变化（变红或变蓝） ， 上方的检测器可以检测频率变化 ， 进而推算电子的速度 。 图片来源：https://www.scienceinschool.org
通过测量这一频率的变化 ， 就可以算出电子的运动速度 ， 进而算出等离子体的温度 。
变废为宝：离子测速
测量1亿度的高温 ， 不能只依赖一种方法 。 除了电子速度的测量之外 ， 科学家需要一些测量离子温度（也就是说 ， 测量离子速度）的方法 。
由于氢离子仅有一颗质子构成 ， 其大小不足以被探测到 ， 所以直接测量氢离子速度不太容易实现 。 但人们发现 ， 等离子体中不可避免地会混入一些杂质 ， 这些杂质成分给了科学家以灵感 。
例如 ， 有些等离子体约束装置中会含有金属钨 ， 这就使得工作等离子体中混有痕迹量的钨 。 钨原子是较重的原子 ， 这就使其原子核的电磁吸引力非常大 ， 以至于在1亿度的高温下 ， 仍然能束缚住不少核外电子 。
在高温下 ， 被束缚的核外电子会发出X射线辐射 ， 这一辐射同样也会因为钨离子本身的速度而产生多普勒效应 。 通过测量这一多普勒效应 ， 也就可以算出该离子的速度 ， 并且进一步推算出离子温度了 。
多个测温方法都有其优劣点 ， 联合运用才可以更准确地测得温度 。
我们何时才能实现“能量自由”？
对于人类社会来说 ， 能源是推动社会发展的重要动力 ， 能源的发展可以极大满足人类的很多需求 。
例如 ， 机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增加 ， 而机械和肥料都是需要大量能量才能获得的物资；汽车和飞机让人们的交通更加便捷 ， 从北京到上海只要几个小时 ， 这在前工业时代是不可想象的 。
如果难以理解可控核聚变对人类的意义 ， 不妨来考虑一下人类驯服野牛野马的过程 。 牛马等畜力为人类提供了充足而廉价的动力来源 ， 极大地提升了人类的活动范围和耕作能力 ， 让人类得到了更进一步的解放和发展 。
而核聚变与牛马的不同就在于 ， 一克核聚变燃料所能释放的能量 ， 约等于一匹马不眠不休地工作14.5年所贡献的能量（马：求求你做个人吧！） 。
因此 ， 早日实现可控核聚变 ， 获得“能量自由”的重要性 ， 就不言而喻了 。 辛勤工作的科研工作者获得的重要成果来之不易 ， 让我们期待人类早日实现“能量自由”吧！
参考文献：
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/http://mathworld.wolfram.com/MaxwellDistribution.html
【科普|如何测量一亿度的高温？】
推荐阅读
- 星链|石豪：在太空，马斯克和美国当局是如何作恶的
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 模拟|（图文+视频）C4D野教程：Windows11的壁纸动效是如何制作的？
- 词条|百度百科上线2500万词条，超750万用户参与共创科普知识内容
- 帮信罪|带你了解什么是“帮信罪”如何避免落入陷阱
- 孩子|“双减”后 科学实践课如何做好“加法”
- 在线|企业配电房如何实现无线测温？安科瑞
- 尺寸|小米 12 / Pro 手机 3699 元起，雷军谈“双尺寸双旗舰”如何选择
- 视点·观察|拍照搜题等同作弊 App叫停后如何整改