光學(xué)，物理學(xué)的重要分支，僅21世紀(jì)以來，就有六次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與光學(xué)有關(guān)，比如2018年的諾獎(jiǎng)就頒給了光鑷和激光放大技術(shù)。

“高冷”的諾獎(jiǎng)很精彩，身邊中的光學(xué)一樣大有學(xué)問哦：微波爐、手機(jī)、汽車……都離不開光學(xué)相助！

從今天起，科學(xué)大院聯(lián)合中科院上海光機(jī)所推出“追光逐夢(mèng)”系列專欄，不僅帶您一起探索身邊的科學(xué)，還會(huì)帶您走入高精尖的前沿光學(xué)科技殿堂！

現(xiàn)在，大多數(shù)家庭的廚房里都少不了一臺(tái)微波爐。它隨處可見似乎沒有什么新奇。但其實(shí)，微波爐是“20世紀(jì)改變世界的十大發(fā)明”之一。

快速加熱食物當(dāng)然是微波爐的屬性。但你會(huì)不會(huì)好奇，在這轟轟響的幾分鐘里，既沒有火也沒有發(fā)熱物體，食物是如何被加熱的呢？

今天我們就來解答你的疑惑，一起聊聊廚房里看不到的光學(xué)——作用于食物上的“微波”。

微波是一種特殊的“光”，和可見光一樣是一種電磁波。但因?yàn)槲⒉ǖ牟ㄩL(zhǎng)超過人眼的感受范圍，所以，它在我們眼前“隱身”了。放在微波爐的食物，一般都含有水分。水分子是極性分子，一頭帶正電，一頭帶負(fù)電。水分子通常是雜亂無章地分布著。

但是當(dāng)水分子遇上電場(chǎng)，它會(huì)調(diào)整方向。帶正電那頭與電場(chǎng)方向一致，帶負(fù)電的那頭則與電場(chǎng)方向相反。一旦電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，會(huì)帶著水分子一起振蕩。電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，就會(huì)形成電磁波，而電磁波攜帶著能量。

由于微波電場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率恰好與水分子本征頻率一致，水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)始終會(huì)被轉(zhuǎn)動(dòng)的電場(chǎng)加速，從而不斷獲得能量，這就是通常所說的“共振”現(xiàn)象?！肮舱瘛边^程中，水分子振蕩得越來越劇烈，能量越來越高，水溫也就升高了。食物中的很多分子是和水分子相似的“極性分子”，同樣也被微波加熱了。

那么問題來了，同樣是電磁波，可見光為什么不能加熱食物呢？這是因?yàn)?，可見光的振蕩頻率比水分子本征頻率快得多，達(dá)不到“共振”的程度，食物吸收不了多少光的能量。

我們可以通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，來說明“共振”的原理。

我們用6個(gè)鐘擺做共振實(shí)驗(yàn)，首先把鐘擺都放在懸掛的活動(dòng)板上，然后隨機(jī)撥動(dòng)所有的鐘擺，這時(shí)候有的鐘擺向左，有的鐘擺向右。但左邊和右邊的力量總會(huì)不對(duì)等，從而造成一邊比另一邊的力多一點(diǎn)，多出的一點(diǎn)力就使得下面的活動(dòng)板產(chǎn)生微小的擺動(dòng)。

這個(gè)擺動(dòng)也會(huì)對(duì)6個(gè)鐘擺施加共同的力。類似于微波對(duì)水分子那樣。共振就起作用了，沒有任何干預(yù)，所有鐘擺的步調(diào)會(huì)變得一致。

大家應(yīng)該明白微波爐的工作原理了，但很多人還有一個(gè)問題：為什么微波爐明令禁止使用金屬容器呢？這是因?yàn)?，金屬容器不但?duì)加熱食物毫無意義，還有潛在的危險(xiǎn)。

在微波爐中加熱時(shí)，微波遇到“金鐘罩”就被反射了。而真正危險(xiǎn)的是，在強(qiáng)大的微波作用下，金屬中的自由電子快速移動(dòng)，產(chǎn)生的電弧會(huì)擊壞微波爐內(nèi)壁，毀壞微波爐中的電子元器件，甚至把微波爐燒毀。所以在微波爐內(nèi)使用金屬器皿絕對(duì)不是一個(gè)好主意。

走出廚房，微波的應(yīng)用好像讓我們有了“另一雙眼睛”。微波雷達(dá)能為各種交通工具提供精確的定位導(dǎo)航，為軍隊(duì)偵查敵機(jī)和導(dǎo)彈；微波遙感技術(shù)使得航拍獲得的“微波地形圖”比可見光和紅外遙感獲得的圖像更真實(shí)。

現(xiàn)在，如果在太空探測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)極其微弱的微波輻射，這是整個(gè)宇宙的背景“噪聲”，是138億年前宇宙大爆炸留下的“遺產(chǎn)”。未來，人類或許可以利用這筆遺產(chǎn)做出了不起的事呢！