為什麼微波爐加熱兩粒葡萄會火花四濺?

北京時間1月5日消息,據國外媒體報道,當人們將葡萄放入微波爐內加熱時,竟然會產生火花,這是為什麼呢?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,微波產生等離子體,但為什麼會發生該現象的複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,而不是複雜的共振現象。

為什麼微波爐加熱兩粒葡萄會火花四濺?

葡萄在微波爐中冒火花不是導電所致

這張靜態圖像來自兩個球形水凝膠的實驗,呈現該重要實驗中首次出現火花。

這張靜態圖像來自兩個球形水凝膠的實驗,呈現該重要實驗中首次出現火花。

20多年以來,微波加熱葡萄一直是製造等離子體的流行方法,而且該過程會呈現壯觀的火花秀,人們在自己家中就可實現這一過程,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,然後將其放入微波爐,但不要使用旋轉託盤進行加熱,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,這些火花僅是由於導電引起的——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,由於葡萄皮的電阻,會將葡萄皮加熱,最終,電子被踢出原子核,產生非常顯著的等離子效應。

以下是如何在微波爐中讓葡萄發光的科學原理:

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條件,並確保它們實際上是一個有效的起點。

在這種情況下,假設葡萄需要被分離,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,但缺乏連接兩瓣葡萄內部含水的導電性。

我們能做的最簡單測試就是取兩個完全獨立的葡萄,重複這項實驗,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。如果電傳導性是葡萄微波實驗的關鍵機制,就不會有火花產生,沒有等離子體,也不存在電荷交換。

結果顯示,當我們進行該實驗時,會發現之前假設理論存在的缺陷,即導電性是兩粒葡萄之間產生火花的核心機制。我們發現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象,肯定存在某些機制發揮着重要作用。

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,結果顯示葡萄出現火花,沿着葡萄皮產生等離子體。

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,結果顯示葡萄出現火花,沿着葡萄皮產生等離子體。

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表一篇論文,表示共振效應是導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,儘管微波波長大約是葡萄直徑10倍,但微波產生的電磁場會集中在葡萄內部。隨後研究人員推測稱,共振效應最終會在葡萄上產生“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”。他們的結論關鍵來自熱成像研究,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生時,物體上會形成一個或者多個“熱點”,才會通過更複雜的理論進行解釋。

“熱點”和諧振效應

研究人員觀察到“熱點”並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,都會出現相同現象——加熱主要發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,光穿過一種介質時,其波長會發生顯著變化,而像水、水凝膠或者葡萄內部這樣的介質也會擁有不同於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,那麼該實驗將對光子學產生深遠影響: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的。

但這是正確的嗎?儘管該解釋產生的預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,可以檢測這項關鍵性試驗,研究一下預測結果是否真的會發生,這是非常重要的。

然而,你可以基於潛在假設進行測試,今年10月份,發表在《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火花的主要原因是產生的共振,而不是熱點效應,研究小組假設了另一種機制: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,在球體兩側聚集了相等數量的相反電荷,這種極化導致在球體之間的間隙產生很大電勢,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象。事實上,如果你曾在維姆胡斯特起電機(一種靜電發電機)轉動曲柄,類似葡萄瓣冒火花的現象就會出現。

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,而且反映了負責產生等離子體的鉀離子和鈉離子。

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,而且反映了負責產生等離子體的鉀離子和鈉離子。

這是非常有趣的現象,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,早期研究提出的關於電磁熱點的解釋並非唯一方法。依據最新研究,電熱點很可能是“罪魁禍首”,該解釋無需假設衍射極限,如果火花是本質上是電,而不是電磁,這將意味着它是基於電子轉移,而不是光的共振累積,那麼該實驗與衍射極限完全無關。

當然,關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,就會在球體之間產生更大的輻射壓力,導致球體相互排斥。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,那麼就會產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,那就意味着電場導致兩個球體偏振極化,如果球體沿着電場的方向排列,它們之間就會產生一個很大的電壓,然後兩個球體就會靠得更近,接着就會產生火花和等離子體分解,如果球體垂直於電場排列,就不會出現火花效應。

如果電磁熱點解釋論是正確的,那就意味着水滴內外將會出現變化的電磁場,這兩滴水將會形成熱點,彼此排斥併產生火花,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。

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,其中一側裝載正電荷,另一側裝載等量的負電荷,他們將電容器內部的兩個球體以兩種不同的構型排列起來,一個球體平行電場,另一個球體垂直電場。

正如人們所預料的那樣,這些球體沿着電場極化方向排列,彼此吸引,然後迅速升溫,而那些垂直電場排列的球體既不移動,也不升溫。接下的步驟是最關鍵的:將兩個球體置於微波輻射之中,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對方還遠離對方。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動下,最初僅相隔1.5毫米,它們相互吸引,產生移動,以至於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,最終導致等離子體、電離和震憾視覺效果形成。

然而,儘管能量釋放和隨之而來的等離子體顯示很壯觀,但這並不是最有趣的科學內容,這裡的關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象,基於此前的研究推測,火花僅會出現在一個特定波長範圍,但實際上火花在所有頻率範圍內都存在。