我国新一代“人造太阳”首次放电,人类能制造的最高温度是多少?

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据中央电视台新闻等媒体报道,今年12月4日14时02分,我国新一代“人造太阳”,位于成都的中国环行器2号M装置(HL-2M)首次竣工排放。专家认为,这意味着我国掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术,为今后我国核聚变反应堆的自主设计和建造积累了丰富的经验。

据介绍,“中国环流器2号M装置”是目前我国最大、参数最高的先进托卡马克装置。它是我国新一代先进的磁约束核聚变实验研究装置。它可以产生大量的等离子体,其温度可以达到1.5亿摄氏度。

我国新一代“人造太阳”首次放电,人类能制造的最高温度是多少?-第1张图片-IT新视野

1.5亿摄氏度是什么概念?我们先来看看几个典型的温度:

室温约20℃,标准大气压下沸水温度100℃。

对于太阳来说,它的表面温度是6000℃,但它的内部温度却高达2000万摄氏度,即2000万摄氏度;

在更猛烈的核爆炸中,核心温度可以达到1亿摄氏度,也就是1亿摄氏度。

核聚变发生在先进的磁约束核聚变实验研究装置内,产生的温度高于太阳内部的温度。那么,1.5亿摄氏度是人类可以制造的温度上限吗?

我国新一代“人造太阳”首次放电,人类能制造的最高温度是多少?-第2张图片-IT新视野

答案是否定的!目前的人工温度最高可达232亿摄氏度,即2.32万亿摄氏度。在这个温度之前,上面提到的温度没有一个可以打败!那么,地球上哪里能找到如此高的温度呢?答案就在粒子对撞机里!

高能粒子是物理学家用来研究物质结构的机器。当微观粒子被加速到接近光速,然后碰撞时,大量的粒子将被击落。通过对这些粒子的分析和研究,有可能从微观上获得有关粒子性质的信息。比较常见的碰撞类型包括电子-电子碰撞、质子-质子碰撞等等。我今天要讲的是“重离子对撞机”,它是一种通过加速重原子核(如金原子核)进行碰撞的机器。重原子核的尺寸往往比较大,碰撞后瞬间会在小范围内产生大量粒子,温度会迅速上升。目前世界上有两个这样的对撞机,一个是美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC),另一个是欧洲核中心的大型强子对撞机。(LHC)(LHC与质子而不是重离子碰撞)

有人可能会问:这么高的温度我应该用什么容器?

我国新一代“人造太阳”首次放电,人类能制造的最高温度是多少?-第3张图片-IT新视野

当然,没有任何材料能承受如此高的温度。没有一种物质能承受甚至原子核都能熔化的温度。在核聚变实验中,磁约束用于约束高温材料,这就是我们常说的托卡马克装置。高温等离子体在磁场的限制下绕着中间旋转,一直移动,几乎不接触容器。

但我们不需要在对撞机中考虑这个问题,因为这样的过程在对撞机中立即结束。在原子核碰撞之后,它们熔化并加热,然后膨胀和冷却,最后变成粒子飞入探测器。从碰撞到探测器探测,整个过程都在飞秒级(0.0000000000000001秒),因此不需要任何容器来容纳质量。这组高温物质还有一个学名叫“夸克胶子等离子体”。

此外,根据目前的研究,科学家认为,在大爆炸后的很短时间内,宇宙中的物质处于夸克胶子等离子体中,温度高于2.32万亿摄氏度。当宇宙膨胀和冷却时,大约0.00001秒到0.0001秒,夸克胶子等离子体冷却并变成各种强子,如质子和中子,然后这些强子结合形成核。

可以说,我们在实验室通过对撞机恢复了大爆炸后物质的状态,这也为我们进一步研究宇宙起源和演化提供了条件。

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