我國新一代「人造太陽」首次放電,人類能製造的最高溫度是多少?

2020-12-13 騰訊網

據央視新聞等媒體報導，今年12月4日14時02分，我國新一代「人造太陽」，位於成都市的中國環流器二號M裝置（HL-2M）建成並實現首次放電。專家認為這意味著我國已經掌握大型先進託卡馬克裝置的設計、建造和運行技術，為今後我國核聚變堆的自主設計與建造積累了豐富經驗。

據介紹，「中國環流器二號M裝置」是我國目前規模最大、參數最高的先進託卡馬克裝置，是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置，可以製造出大量的等離子體，其溫度可達1.5億℃。

1.5億℃是個什麼概念呢？我們先來看幾個典型的溫度：

室溫大約就是20℃左右，標準大氣壓下開水的溫度為100℃，

對於太陽，其表面溫度6000℃，但是內部溫度則高達20000000℃，即2千萬℃；

太陽的結構

而更劇烈的核爆，其中心溫度則能高達100000000攝氏度，即1億℃。

此次的先進磁約束核聚變實驗研究裝置內部發生的是核聚變，產生的溫度比太陽內部的溫度還要高。那麼1.5億℃是人來能製造的溫度上限嗎？

答案是否定的！目前的人造溫度最高能到2320000000000攝氏度，即2.32萬億℃，在這個溫度前，上面提到的溫度，一個能打的都沒有！那麼這樣的高溫在地球的什麼地方能找到呢？答案就是粒子對撞機中！

粒子對撞機是高能物理學家用於研究物質結構的機器，把微觀粒子加速到接近光速再進行對撞，就會撞出大量的粒子，通過對這些粒子進行分析研究，就有可能獲得關於微觀粒子的性質。比較常見的對撞類型有電子-電子對撞、質子-質子對撞等。今天要說的則是叫做「重離子對撞機」，這是通過加速重原子核（比如金核等）並對撞的機器。重原子核體積往往比較大，對撞之後會在瞬間且小範圍內產生大量的粒子，溫度迅速上升。這樣的對撞機，目前全世界有兩臺，一臺是在美國布魯克海文國家實驗室的相對論性重離子對撞機（RHIC），一臺是在歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）（LHC對撞的是質子而不是重離子）

相對論性重離子對撞機RHIC內部一角

有的人可能會問：這麼高的溫度，該用什麼容器裝呢？

這麼高的溫度當然沒有任何材料能頂得住。連原子核都能熔化的溫度，任何材料都是無法承受的。在核聚變實驗中，會使用磁約束把高溫物質約束起來，也就是我們常說的託卡馬克裝置，高溫的等離子在磁場的約束下繞著中間旋轉，一直運動，幾乎不會碰到容器上。

託卡馬克裝置內部視圖

但是在對撞機中我們不需要考慮這個問題，因為這樣的過程在對撞機內瞬間就結束了。原子核對撞後熔化升溫，然後就會膨脹冷卻，最後變成粒子飛到探測器中。從發生對撞到被探測器探測到這段時間裡，整個過程是飛秒（ 0.0000000000000001秒）這樣的量級，所以不需要任何容器去裝這團物質。這團高溫的物質也有一個學名，叫做「夸克膠子等離子體」。

另外，根據目前的研究，科學家們相信在宇宙大爆炸後的極短的時間內，宇宙中的物質就處在夸克膠子等離子體，溫度也高於2.32萬億攝氏度。隨著宇宙的膨脹冷卻，大約在0.00001秒~0.0001秒的時候，夸克膠子等離子體冷卻，變成了各種各樣的強子，比如質子和中子，進而結合成原子核。

宇宙的演化

可以說，我們通過對撞機，在實驗室裡還原出了宇宙大爆炸後物質的狀態，這也給我們提供了進一步研究宇宙起源和物質演化的條件。

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