如何测量一亿度的高温

中国东部人造太阳最近实现了将1.5亿℃高温等离子体维持101秒的记录，标志着向可控核聚变迈出了重要一步。受控核聚变的基本原理是将两个氢原子核压缩成一个氦原子核。因此，它必须在数亿度的温度下被“挤压”在一起。所以问题来了：我们如何测量这么高的温度？有温度计能测量这么高的温度吗？

质量描述一个物体有多少物质，长度描述一个物体占据的一维空间的大小。温度是多少？我们可以直观地感觉到物质的冷和热，但我们不知道温度的本质。

虽然人们不知道温度是多少，但科学家们早就知道物体的热膨胀和冷收缩现象。利用这一点，人们发明温度计已经有很长一段时间了。他们利用不同体积的液体与其温度之间的对应关系来测量温度。

为了描述温度，人们发明了不同的温标。例如，摄氏温标（°C）规定水的冰点为0°C，沸点为100°C。温差分为100个部分，每部分温度为1℃

摄氏度和华氏度

，而华氏温标（°f）规定水的冰点为32°f，沸点为212°f。平均温差为180个部分，每个部分的温度都是1华氏度

直到现代，物理学家才知道物质是由小粒子组成的，这些小粒子不断不规则地运动。已经发现，物体越热，小粒子的运动越快，而物体越冷，小粒子的运动越慢。（事实上，准确地说，热物体的单个分子不一定比冷物体运动得快，但平均而言，热物体所有分子的“平均速度”都比冷物体快。）。

根据定义，温度是组成物体的粒子的“平均动能”的量度。温度与平均动能成正比，动能与移动速度的平方成正比。为了便于理解，这里简化了温度与粒子移动速度的关系。

绝对零。

通过理论计算，可以发现该绝对零度的值约为-273.15°C。如果摄氏刻度中的零点位置向下移动273.15°C，则所有温度都将为正。这个温度标度也称为开尔文温度标度（k）。

在测量物理量时，我们有两种不同的策略：测量量本身或测量由该量引起的其他影响。

例如，如果我们想测量一个长方体的体积，有两种方法：测量它的长度、宽度和高度，然后乘以它得到体积，也就是直接测量体积本身。另一种方法是将长方体浸入水中，测量排水量，以转换长长方体的体积。这种方法实际上是测量“体积引起的排水效应”，从而间接测量体积的物理量。

正如我们前面提到的，温度描述了物体中粒子的速度。因为很难将粒子剥离出来，逐个测量它们的速度，。

最简单的是上面提到的液体温度计，它利用温度引起的热膨胀和收缩效应。防疫常用的测温枪和摄像机，利用不同温度的物体会发出不同的红外线的原理。

热电偶顾名思义，通常由两条不同的平行导线组成，其一端可称为“热端”，另一端可称为“冷端”。

热电偶原理

当加热端被加热时，其中的一些电子将获得足够的能量并运行到冷端。不同的金属在加热时有不同程度的电子逸出。因此，电子在冷端的分布是不同的。因此，可以通过测量两个冷端之间的电压来了解其加热端的温度。

热敏电阻

，热敏电阻是一种特殊的电阻，其电阻值会受到温度的影响。因此，只要测量电阻值，就可以间接知道温度。

所有这些温度测量工具并不直接测量温度的本质——粒子运动的速度，但都取决于温度的其他影响，也就是说，需要其他物质作为介质。

但是当人造太阳中的等离子体温度达到1亿度时，无论它旁边是否存在物质，这些间接方法都会失败。要测量如此高的温度，是时候回到温度的本质上来了。

由于温度的本质是物质中粒子的速度，如果你想在1亿度的高温下测量温度，你只能测量粒子的速度。

。围绕这两个粒子，科学家们发明了一系列不同的测速工具。

其中一种方法基于磁场。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”的力，使其螺旋运动。电子运动得越快，它的旋转频率就越快（学过洛伦兹力的朋友们可以留下一条信息，并尝试推断它）。

和电子被充电。旋转时，它们会发射电磁波。电磁波的频率与电子旋转的频率有关。这样，只要我们探测到电磁波的频率，我们就可以通过推导出的数学定律计算出电子运动的速度。根据这个速度，我们可以测量电子的温度。（根据定义，温度是“平均动能”的量度，因此仅测量一个电子的速度不能得到其温度。要判断等离子体的温度，必须测量一系列电子，并且它们的速度符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。）

在磁场中，不同运动速度的电子会产生不同频率的螺旋，然后产生不同频率的电磁波。通过测量这种电磁波，我们可以知道电子运动的速度

。

多普勒效应最直观的体现是一辆鸣笛的汽车从我们身边驶过。随着汽车离我们越来越近，汽笛声会越来越大，而当汽车离开我们时，汽笛声会越来越小。

多普勒效应原理示意图

这是因为当声音到达耳朵时，汽车的移动速度会影响声音速度，从而改变我们感觉到的声音频率。

向高速行驶的汽车发送雷达波，并接收其反射波。由于车速的影响，反射波的频率会发生变化，因此可以通过测量这种变化来计算车速。如果激光束发射到等离子体中，激光将与等离子体中的电子相互作用，并产生激光散射（这种现象称为“汤姆逊散射”）。

利用多普勒原理测量电子速度：当左边的激光照射到电子上时，会发生汤姆逊散射。由于电子运动速度的影响，散射光的频率会发生变化（变成红色或蓝色）。上面的探测器可以检测频率变化，然后计算电子的速度。

散射激光的频率与入射激光的频率略有不同。这是因为散射过程受电子自身移动速度的影响，就像雷达波的频率受车辆速度的影响一样。

通过测量这个频率的变化，我们可以计算出电子的移动速度，然后计算出等离子体的温度。

要测量1亿度的高温，我们不能只依靠一种方法。除了测量电子速度，科学家还需要一些测量离子温度的方法（即测量离子速度）。

由于氢离子仅由一个质子组成，其大小不足以被检测到，因此不容易直接测量氢离子的速度。然而，已经发现一些杂质不可避免地会混合到等离子体中，这激发了科学家们的灵感。

例如，一些等离子体约束装置含有金属钨，这使得工作等离子体与微量钨混合。钨原子是较重的原子，这使得它们的原子核的电磁引力如此之大，以至于它们仍然可以在1亿度的高温下束缚许多额外的核电子。由于多普勒效应，原子核中的电子将在高温下被辐射束缚。通过测量这种多普勒效应，我们可以计算离子的速度，并进一步计算离子温度。