微波魔法 從廚房到宇宙探索 | 聯合早報
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微波爐是現代廚房中極為常見的設備,它以極高效率加熱食物,為我們的日常生活帶來很大便利。然而,微波的作用遠不止於此。它不僅僅是廚房中的“魔法師”,更在通信、天文學和物理學等多個科學領域發揮着至關重要的作用。
2015年,天文學家們對一段長達17年的神秘電磁波信號百思不得其解,直到澳大利亞天文學研究生Emily Petroff提出一個大膽假設併成功驗證——原來這所謂的“外星訊號”竟是天文台微波爐使用時發出的!據説,她在新加坡轉機時,澳洲天文台的同事向她傳達了實驗驗證結果。這一事件表明,科學發現往往隱藏在最意想不到的細節之中。
微波是一種電磁波,介於無線電波和紅外線之間,波長範圍約為1毫米至1米。電磁波最早由19世紀英國物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)提出的電磁理論所預測。1887年,德國物理學家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)通過實驗成功驗證電磁波的存在,並測量了波長和頻率,為無線電通信奠定了基礎。
電磁波的範圍極廣,從波長最長的無線電波到波長最短的伽馬射線,而微波正好處於無線電波與紅外線之間。不同波長的微波在多個領域具有不同的應用。例如,釐米波被廣泛用於雷達、衞星通信和導航系統,而毫米波則應用於5G通信、天文觀測和高精度測量。
融化巧克力促成微波爐發明
1945年,美國工程師斯賓塞(Percy Lebaron Spencer)在研究雷達時,意外發現口袋中的巧克力因微波加熱而融化。
這一偶然發現促成微波爐的誕生。最初的微波爐體積龐大,價格昂貴,僅限於大型餐廳或實驗室使用。隨着技術的進步和製造成本的降低,微波爐才逐漸進入普通家庭。
微波爐的核心原理是利用磁控管(magnetron)產生特定頻率的微波,使食物中的水分子高速振動併產生熱量,從而實現食物加熱。
由於空氣中的氧氣和氮氣幾乎不吸收微波,因此微波爐不會直接加熱空氣。如今,微波爐不僅用於簡單加熱,還具備烘焙、解凍、殺菌等多種功能。隨着智能化技術的發展,現代微波爐還配備了傳感器和自動調節系統,使用更加便捷、精準。
利用微波揭開宇宙面紗
科學家利用微波探索宇宙,其中最著名的發現之一是宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)。CMB是宇宙大爆炸留下的“餘温”,它是研究宇宙起源和演化的重要線索。
1964年,美國天文學家彭齊亞斯(Arno Allan Penzias)和威爾遜(Robert Woodrow Wilson)在研究通信信號時,意外發現這種來自宇宙深處的微波信號,最終確認為宇宙大爆炸的殘餘輻射。1978年,他們因這一發現榮獲諾貝爾物理學獎。
諾貝爾物理學獎得主美國天文學家彭齊亞斯(右)和威爾遜,站在他們探測宇宙微波信號的天線旁。(互聯網)
CMB信號均勻地分佈於整個宇宙,通過測量其微小的温度變化,科學家可以推測宇宙的年齡、結構及未來演化方向。近年來,天文學家利用微波技術深入研究星系、黑洞以及星際塵埃,一層層掀開宇宙的神秘面紗。
微波在通信和科技中的應用
微波技術在現代通信和科學研究中發揮着關鍵作用。例如,微波被用於無線數據傳輸,如Wi-Fi和移動通信,使我們能夠隨時隨地上網。此外,微波能穿透大氣層,廣泛用於全球衞星信號傳輸。全球定位系統(GPS)依賴微波信號提供精準導航,而原子鐘則利用微波振盪確保全球時間同步。
隨着科技進步,微波技術正在不斷拓展新的應用領域。例如,5G和未來的6G網絡將利用更高頻率的微波(毫米波)提供更快網絡速度。此外,微波傳感技術正在升級,使其可用於更精確的醫療檢測和自動駕駛技術。
科學家正在研究如何利用微波進行“無線能量傳輸”,這項技術可能會徹底改變未來的能源供應模式。例如,太空太陽能發電站(Space-based Solar Power)可在地球同步軌道上收集太陽能,通過微波將能量傳輸至地球。
此外,微波無線充電技術也在快速發展。例如,一些公司正在研究如何通過微波信號為無人機、智能手機甚至電動車充電。如果這一技術成熟,未來我們的電子設備將不再依賴傳統電池充電,而是可以隨時隨地通過微波獲取能量。
微波不僅讓我們的廚房更加便捷,還助力人類探索宇宙、發展通信技術,並推動科學研究。從加熱食物到解鎖宇宙奧秘,微波的影響無處不在。下次使用微波爐時,不妨想想,這股無形的能量究竟有多神奇!