新浪科技訊 北京時間1月5日消息，據(jù)國外媒體報道，當人們將葡萄放入微波爐內(nèi)加熱時，竟然會產(chǎn)生火花，這是為什么呢？

　　當兩個切半的葡萄緊連在一起放入微波爐，就會上演一場壯觀的火花秀，微波產(chǎn)生等離子體，但為什么會發(fā)生該現(xiàn)象的復(fù)雜物理學一直是理論界爭議的焦點，最終，一項高精度的實驗揭曉了其中的謎團——這是典型的電磁作用，而不是復(fù)雜的共振現(xiàn)象。

　　葡萄在微波爐中冒火花不是導(dǎo)電所致

這張靜態(tài)圖像來自兩個球形水凝膠的實驗，呈現(xiàn)該重要實驗中首次出現(xiàn)火花。

　　20多年以來，微波加熱葡萄一直是制造等離子體的流行方法，而且該過程會呈現(xiàn)壯觀的火花秀，人們在自己家中就可實現(xiàn)這一過程，具體操作如下：將一粒葡萄一切為二，僅留下薄薄的葡萄皮連接切開的兩瓣葡萄，然后將其放入微波爐，但不要使用旋轉(zhuǎn)托盤進行加熱，這樣人們就可以坐在微波爐旁，欣賞微波爐里火花飛濺！

　　許多人認為，這些火花僅是由于導(dǎo)電引起的——微波與葡萄相互作用，造成兩個葡萄瓣之間的電勢差異，當電勢足夠大時，電流就會流動，當電流流過葡萄皮時，由于葡萄皮的電阻，會將葡萄皮加熱，最終，電子被踢出原子核，產(chǎn)生非常顯著的等離子效應(yīng)。

　　以下是如何在微波爐中讓葡萄發(fā)光的科學原理：

　　我們要做的第一件事，就是檢驗該實驗的前提條件，當我們對某些現(xiàn)象形成認知時，不只是將想法猜測付諸實踐，更是需要回到起點——我們最初形成的假設(shè)條件，并確保它們實際上是一個有效的起點。

　　在這種情況下，假設(shè)葡萄需要被分離，這樣兩個葡萄瓣幾乎完全分離，但僅有薄葡萄皮連接在一起，這一層薄葡萄皮是固態(tài)，但缺乏連接兩瓣葡萄內(nèi)部含水的導(dǎo)電性。

　　我們能做的最簡單測試就是取兩個完全獨立的葡萄，重復(fù)這項實驗，我們不是把一粒葡萄幾乎完美地切成兩半，而是把兩粒葡萄緊放在一起，靠得很近，幾乎可以觸碰到，但又不完全觸碰到。如果電傳導(dǎo)性是葡萄微波實驗的關(guān)鍵機制，就不會有火花產(chǎn)生，沒有等離子體，也不存在電荷交換。

　　結(jié)果顯示，當我們進行該實驗時，會發(fā)現(xiàn)之前假設(shè)理論存在的缺陷，即導(dǎo)電性是兩粒葡萄之間產(chǎn)生火花的核心機制。我們發(fā)現(xiàn)事實上連接兩瓣葡萄的葡萄皮不是該過程的重要組成部分，兩瓣葡萄之間的實體連接不是必要存在的，為了解釋我們所觀察到的現(xiàn)象，肯定存在某些機制發(fā)揮著重要作用。

　　葡萄就像一個諧振腔！

　　當一顆葡萄被接近完美地切成兩半，但有葡萄皮連接它們，將葡萄放入微波爐中加熱，結(jié)果顯示葡萄出現(xiàn)火花，沿著葡萄皮產(chǎn)生等離子體。

　　2019年，由哈姆扎·哈塔克、帕布洛·畢努茲和艾倫·斯勒普科維三位科學家組成的研究團隊發(fā)表一篇論文，表示共振效應(yīng)是導(dǎo)致葡萄在微波爐里冒火花的主要原因，葡萄就像一個諧振腔，盡管微波波長大約是葡萄直徑10倍，但微波產(chǎn)生的電磁場會集中在葡萄內(nèi)部。隨后研究人員推測稱，共振效應(yīng)最終會在葡萄上產(chǎn)生“熱點”，尤其是兩粒葡萄瓣的連接處。

　　通過將熱成像和計算機模擬結(jié)合在一起，他們相信能解釋這個長期存在的“家庭謎團”。他們的結(jié)論關(guān)鍵來自熱成像研究，無論是使用兩粒葡萄，還是一對葡萄大小的水凝膠，當微波加熱時，他們將一個熱測量紅外攝像機對準這些物體，如果微波均勻地加熱內(nèi)部材料，葡萄或者水凝膠的溫度就會均勻升高，只有當某些不均勻加熱發(fā)生時，物體上會形成一個或者多個“熱點”，才會通過更復(fù)雜的理論進行解釋。

　　“熱點”和諧振效應(yīng)

　　研究人員觀察到“熱點”并不是在葡萄任何部分形成，而是在兩個葡萄粒之間的連接處，或者是最鄰近部分，無論他們在實驗中使用僅有葡萄皮連接的兩個葡萄瓣，或是剝皮后的葡萄，還是兩個水凝膠球，都會出現(xiàn)相同現(xiàn)象——加熱主要發(fā)生在兩個物體相互接觸的部分。

　　然而，真正令人興奮和意想不到的是在兩個表面接觸位置——波長壓縮了大約80倍，使兩個物體的共振前所未有地增強。通過將熱敏紙放在兩粒葡萄之間的稀薄空氣間隙中，他們能夠看到哪一粒葡萄“蝕刻”在熱敏紙上，從理論上講，這種蝕刻的分辨率應(yīng)該受到電磁波衍射極限的限制：全波長的一半，微波爐里微波波長大約有6.4厘米，甚至比葡萄直徑更大。

　　當然，光穿過一種介質(zhì)時，其波長會發(fā)生顯著變化，而像水、水凝膠或者葡萄內(nèi)部這樣的介質(zhì)也會擁有不同于空氣或者真空的介電特性。但不知何種原因，熱敏紙上的蝕刻圖像僅有1.5毫大小，因此研究人員得出結(jié)論稱，微波在兩個物體之間的界面被壓縮了40倍以上。

　　如果這是真的話，那么該實驗將對光子學產(chǎn)生深遠影響：研究人員能夠利用光來達到超出衍射極限的分辨率，此前這一直被認為是不可能實現(xiàn)的。

　　但這是正確的嗎？盡管該解釋產(chǎn)生的預(yù)測被認為是不可能的，但人們不能簡單地接受它的表面價值，可以檢測這項關(guān)鍵性試驗，研究一下預(yù)測結(jié)果是否真的會發(fā)生，這是非常重要的。

　　然而，你可以基于潛在假設(shè)進行測試，今年10月份，發(fā)表在《等離子體物理學》在線期刊的一項研究報告進行了該實驗。葡萄在微波爐中出現(xiàn)火花的主要原因是產(chǎn)生的共振，而不是熱點效應(yīng)，研究小組假設(shè)了另一種機制：在兩個葡萄半球或者水凝膠之間的小間隔中建立電場，他們將兩個半球想象成為電偶極子，在球體兩側(cè)聚集了相等數(shù)量的相反電荷，這種極化導(dǎo)致在球體之間的間隙產(chǎn)生很大電勢，當電勢足夠大的時候，火花就會跳過間隙，這是一種純粹的電現(xiàn)象。事實上，如果你曾在維姆胡斯特起電機（一種靜電發(fā)電機）轉(zhuǎn)動曲柄，類似葡萄瓣冒火花的現(xiàn)象就會出現(xiàn)。

　　有趣的實驗

　　無論是與皮橋相連的葡萄半球（A）、兩顆葡萄（B）還是兩顆無皮水凝膠球（C）之間，等離子體火花不僅存在，而且反映了負責產(chǎn)生等離子體的鉀離子和鈉離子。

　　這是非常有趣的現(xiàn)象，因為電荷積累和放電過程中的電能釋放，也會引起快速局部加熱，換句話講，早期研究提出的關(guān)于電磁熱點的解釋并非唯一方法。依據(jù)最新研究，電熱點很可能是“罪魁禍首”，該解釋無需假設(shè)衍射極限，如果火花是本質(zhì)上是電，而不是電磁，這將意味著它是基于電子轉(zhuǎn)移，而不是光的共振累積，那么該實驗與衍射極限完全無關(guān)。

　　當然，關(guān)鍵是要弄清楚要進行怎樣的測試，從而確定這兩種解釋中哪一個是正確的，幸運的是，我們可以執(zhí)行一個非常簡單的測試，如果在兩個球體表面形成電磁熱點，就會在球體之間產(chǎn)生更大的輻射壓力，導(dǎo)致球體相互排斥。然而，如果這些電熱點是由球體間隙聚集相反電荷而形成的，那么就會產(chǎn)生一種相互吸引的電作用力。

　　這看起來很簡單，是吧？如果我們想排除其中的某個解釋，就讓兩個球體保持很小距離進行實驗，通過微波進行加熱仔細觀察。

　　如果電熱點解釋論是正確的，那就意味著電場導(dǎo)致兩個球體偏振極化，如果球體沿著電場的方向排列，它們之間就會產(chǎn)生一個很大的電壓，然后兩個球體就會靠得更近，接著就會產(chǎn)生火花和等離子體分解，如果球體垂直于電場排列，就不會出現(xiàn)火花效應(yīng)。

　　如果電磁熱點解釋論是正確的，那就意味著水滴內(nèi)外將會出現(xiàn)變化的電磁場，這兩滴水將會形成熱點，彼此排斥并產(chǎn)生火花，不論水滴在微波爐中的方向是怎樣的。

　　具有三種不同間隙的兩粒葡萄，在用微波爐照射加熱后，達到特定溫度，間隙最小的溫度最高，時間平均能量密度在最窄間隙之間溫度最高。

　　這就是我們期望獲得的一種區(qū)分以上兩種狀況的方法，如果我們想讓其中至少一個失效，所需要做的就是自己進行實驗。

　　進行的第一個實驗是簡單的電熱點概念驗證，研究人員沒有使用微波諧振腔，而是使用平行板電容器，這是一種電氣裝置，其中一側(cè)裝載正電荷，另一側(cè)裝載等量的負電荷，他們將電容器內(nèi)部的兩個球體以兩種不同的構(gòu)型排列起來，一個球體平行電場，另一個球體垂直電場。

　　正如人們所預(yù)料的那樣，這些球體沿著電場極化方向排列，彼此吸引，然后迅速升溫，而那些垂直電場排列的球體既不移動，也不升溫。接下的步驟是最關(guān)鍵的：將兩個球體置于微波輻射之中，使用高速攝影和超精確的方法測量它們的初始運動是朝向?qū)Ψ竭€遠離對方。如果兩個球體是彼此吸引的，就支持電熱點解釋觀點，而如果它們是彼此排斥的，就支持電磁熱點的觀點。

　　正如以下視頻清晰地展示，這兩個葡萄大小的球體，在微波輻射和電勢的驅(qū)動下，最初僅相隔1.5毫米，它們相互吸引，產(chǎn)生移動，以至于它們最終接觸在一起，在接觸瞬間或者接觸之前，兩個球體的能量被釋放，最終導(dǎo)致等離子體、電離和震憾視覺效果形成。

　　然而，盡管能量釋放和隨之而來的等離子體顯示很壯觀，但這并不是最有趣的科學內(nèi)容，這里的關(guān)鍵是兩個球體相互吸引。事實上，研究人員通過改變微波頻率，進一步排除了電磁熱解釋，如果這是一個共振現(xiàn)象，基于此前的研究推測，火花僅會出現(xiàn)在一個特定波長范圍，但實際上火花在所有頻率范圍內(nèi)都存在。（葉傾城）