为何两颗葡萄在微波炉中加热会产生等离子体？ 第1页

20多年来，微波葡萄一直是一种流行的技巧，可以在你自己的家中制作壮观的等离子表演，正如互联网上报道的那样，诀窍是：

• 将一颗葡萄非常整齐地切成两半
• 除了留下连接半球的“葡萄皮”薄桥
• 放入微波炉（不带旋转托盘）
• 然后坐下来看火花飞舞！

许多人认为，火花只是由导电引起的：微波与葡萄相互作用，在两个半球之间产生电位差，当电位变得足够大时，电流就会流动。当电流流过葡萄皮时，由于葡萄皮的电阻，它会加热它，结果，电子从它们的原子核中脱离出来，产生明显的等离子体效应。

▲当葡萄几乎被完美地切成两半，但葡萄皮的薄桥连接它们时，进入微波炉会引起火花飞扬，沿着桥产生等离子体。尽管几十年来一直是客厅里常见的伎俩，但对这种现象的科学调查直到2018年才开始。

科学的魅力就在于充满了不确定性。每当我们提出任何假设时，我们首先要做的第一件事就是测试。换句话说，当我们对事物如何运作有了一个想法时，我们首先要将这个想法付诸实践。

在这种情况下，假设葡萄需要分裂，以便两个半球几乎完全切断，但不是完全切断。需要有一层薄膜，一层是固体，但缺乏连接两个半球的葡萄内部含水层的导电性。

我们可以执行的最简单的测试来看看情况是否如此，就是取两个完全分开的葡萄并重复实验。我们不是将一颗葡萄整齐地几乎完美地劈成两半，而是将两个不同的葡萄放在一起，非常接近，以至于它们几乎但不完全接触。如果导电是起作用的机制，就不会有火花、等离子体和电荷交换。

▲两颗完整的葡萄放在非常靠近的地方并用微波炉加热时，会开始在两颗葡萄之间的空间产生火花并产生等离子体。

显然，当我们进行这个实验时，我们可以看到我们假设的缺陷，即电传导是两个葡萄之间火花背后的机制。我们还可以看到，葡萄皮不是这个过程的重要组成部分，实验的两个“侧面”之间的物理连接是不必要的，并且必须有其他一些机制起作用才能解释我们所观察到的。

2019年，由三名科学家组成的团队——哈姆扎·哈塔克、巴勃罗·比安努奇和亚伦·斯莱普科夫联合发表了一篇论文，声称“共振”是导致葡萄火光四溅的罪魁祸首。葡萄本身表现为共振腔，即使微波本身的波长大约是葡萄物理尺寸的10倍，这些微波产生的电磁场也会集中在葡萄内部。

作者随后推测，这种共振最终会在葡萄本身上产生“热点”，特别是在两个葡萄之间的交界处。通过将热成像与计算机模拟相结合，他们相信他们解释了这个长期存在的家庭难题。

▲无论是与皮桥相连的葡萄半球（A）、两颗整颗葡萄（B）还是两颗无皮水凝胶珠（C）之间，等离子体火花不仅存在，而且反映了负责产生等离子体的钾离子和钠离子。

他们得出结论的关键来自热成像研究。无论是使用两颗葡萄还是一对葡萄大小的水凝胶，他们都会在用微波炉加热这些物体时将热测量红外摄像机对准这些物体。如果微波均匀加热内部材料，葡萄和/或水凝胶的温度就会均匀升高。

只有当发生某种不均匀加热时，物体在上面形成一个或多个“热点”，以上结论就不成立了。后一种情况，即热点的发展，正是研究人员观察到的，特别是在两个物体之间的交界处，无论他们使用由细桥连接的两个半球、两个去皮的葡萄还是两个水凝胶球，都会出现相同的现象：加热主要发生在这两个物体相互接触的位置。

当科学家进行实验时，令人出乎意料的是，两个表面接触的葡萄不知道发生了什么，将微波的波长压缩了约80倍左右！

▲具有三种不同间隙间距的两个葡萄，在用微波照射后，加热到特定温度，间隙最小的温度最高，时间平均能量密度在最窄间隙之间的空间中最高。

通过将热敏纸放在这两个葡萄之间的薄气隙中，他们能够看到在这张纸上沉积了什么样的“蚀刻”。理论上，蚀刻的分辨率应该受到我们所说的电磁波衍射极限的限制，也就是全波长的一半。对于微波炉中的微波炉，这相当于大约6.4厘米的长度，比葡萄本身还要大。

当然，光通过介质时会改变其波长，水、水凝胶或葡萄内部等介质也具有与空气或真空不同的介电特性。但不知何故，蚀刻的尺寸只有约1.5毫米。由于这一观察，作者得出结论，微波在两个物体之间的界面处被压缩了约40倍以上。

如果属实，它将对光子学产生深远的影响——使研究人员能够利用光来实现超过衍射极限的分辨率，这在长期以来被认为是不可能的。

▲如果两个独立的光源相隔至少是用于观察的光波长的一半，则它们只能被特定波长的光解析。在低于（右）的间距处，不再可能将它们解析为独立的源。

但提出一种理论来成功解释你看到的一种情况是一回事。当这种解释导致被认为不可能的预测时，再次测试并查看预测的结果是否会如预料那般是最重要的。之后，该团队假设了一种替代机制：在两个液体球体（例如葡萄或水凝胶）之间的小间隙中形成电场，他们将两个球体想象成电偶极子，在球体的两侧形成相等和相反的电荷。这种极化会在球体之间的间隙中产生很大的电势，当它变得足够大时，火花就会跳过间隙。

▲当Wimshurst机器被激活时，它会导致两个导电球带上相反的电荷。当超过临界电压阈值时，火花会跳过间隙，导致电荷交换。

这是很有趣的现象，因为电荷的积累和通过放电进行的电能交换也会导致快速和局部加热。换句话说，早期研究提出的关于电磁热点的解释并不是唯一的解释。在这个较新的解释中，还有一个额外的好处，即不需要假设无视衍射极限。如果火花本质上是电的而不是电磁的——这意味着它基于电子的转移而不是光的共振积累，那么整个实验与衍射极限完全无关。

当然，关键是找出测试中的关键部分，以确定这两种解释中的哪一种最能解释“微波葡萄”现象。现在，我们可以进行一个非常简单的测试。如果在两个球体表面形成电磁热点，就会在它们之间产生增加的辐射压力，导致它们相互排斥。相反，如果这些是由跨越间隙的任一球体上的相反电荷积累产生的电热点，那么就会产生吸引力。

▲纯电现象（a）和纯电磁现象（b），用于说明两个微波葡萄之间等离子火花的起源。第二个球体与第一个球体一致，如果其性质是电的，则将类似地极化并产生电压击穿，但是它们会在球体外部产生电磁场，如果它是电磁性质的，则它们会导致两个球体排斥（b）。

如果我们想排除这两种可能的解释之一，我们所要做的就是让这两个球体开始相距很小的距离，然后应用微波。

1. 如果电热点解释是正确的，那么这意味着电场导致两个球体极化。如果球体沿电场方向排列，它们之间会产生很大的电压，随后两个球体靠得更近，然后产生火花和等离子体击穿。但是，如果球体垂直于电场排列，则应该没有净效应。
2. 如果电磁热点的解释是正确的，那么这意味着水滴内外的电磁场会发生变化，无论它们在微波中如何定向，这两个水滴都应该产生热点、排斥和火花。

这就是理想中可以区分两种解释的方法。如果我们想让（至少）其中一种解释无效，我们需要做的就是进行实验。

▲如这张六面板视图所示，当两个球体与电容器的两个平行板之间的电场对齐时，它们会发热，尤其是在球体之间的空间中。然而，当它们垂直于电场定向时，则不会发生这种加热。

进行的第一个实验是对电气热点想法的简单概念验证。研究人员没有使用微波腔，而是从平行板电容器开始，它一种电气装置，其中一侧装有正电荷，另一侧装有等量的负电荷。他们将电容器内的两个球体以两种不同的配置排列，一种是球体平行于场，另一种是垂直。

正如研究人员预料的那样，沿着电场极化方向排列的球体被极化、吸引并迅速升温，而垂直于电场方向排列的球体既没有移动也没有加热。下一步是最关键的：将两个球体置于微波辐射下，并以高速摄影和高精度测量它们的初始运动是相互靠近还是远离。如果它是有吸引力的，那电热点的解释是正确的。相反，如果它是排斥的，那么电磁热点的解释是正确的。

正如上面的视频清楚地展示的那样，这两个葡萄大小的球体在微波辐射和电势的驱动下，最初仅相隔1.5毫米，然后相互吸引，并移动以使其几乎接触。在接触时（或刚接触之前），能量被释放，最终导致等离子体的形成。

然而，尽管能量释放和随之而来的等离子火花非常壮观，但这并不是实验的关键部分。这里的关键是两个球体相互吸引的过程，研究人员通过将微波频率改变约100倍左右，进一步排除了电磁热点的解释。如果它是共振，正如早期的研究推测的那样，火花只会出现一个一组特定的波长，但是实验上看到的是所有频率范围内都存在火花。

▲葡萄、磨碎的樱桃和去皮水​​凝胶二聚体在烤箱中用微波炉加热时，都会在两个水球的界面处产生等离子火花。这种现象的原因是放电，而不是电磁热点。

尽管可能存在电磁共振，但它们并不是产生火花和等离子体的驱动因素。空气电弧放电是造成这种情况的原因。此外，通过在低频 (27 MHz) 和高频 (2450 MHz) 下进行测试，并看到大致相同的有吸引力的运动，研究人员证明了电磁热点的解释，应该在后一种情况下最大化，可以甚至不会产生最轻微的可观察排斥力。

虽然“微波葡萄”现象很有趣也很简单，但用微波炉加热相隔很小的两个葡萄是危险行为，因为，你正在微波中产生等离子体（火焰），小孩子不建议尝试哦。