來源：科學大院

光學，物理學的重要分支，僅21世紀以來，就有六次諾貝爾物理學獎與光學有關，比如2018年的諾獎就頒給了光鑷和激光放大技術。

“高冷”的諾獎很精彩，身邊中的光學一樣大有學問哦：微波爐、手機、汽車……都離不開光學相助！

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

現在，大多數家庭的廚房裏都少不了一臺微波爐。它隨處可見似乎沒有什麼新奇。但其實，微波爐是“20世紀改變世界的十大發明”之一。

快速加熱食物當然是微波爐的屬性。但你會不會好奇，在這轟轟響的幾分鐘裏，既沒有火也沒有發熱物體，食物是如何被加熱的呢？

今天我們就來解答你的疑惑，一起聊聊廚房裏看不到的光學——作用於食物上的“微波”。

微波是一種特殊的“光”，和可見光一樣是一種電磁波。但因爲微波的波長超過人眼的感受範圍，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，一頭帶負電。水分子通常是雜亂無章地分佈着。

但是當水分子遇上電場，它會調整方向。帶正電那頭與電場方向一致，帶負電的那頭則與電場方向相反。一旦電場轉動起來，會帶着水分子一起振盪。電場轉動起來，就會形成電磁波，而電磁波攜帶着能量。

由於微波電場的轉動頻率恰好與水分子本徵頻率一致，水分子的轉動始終會被轉動的電場加速，從而不斷獲得能量，這就是通常所說的“共振”現象。“共振”過程中，水分子振盪得越來越劇烈，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。

那麼問題來了，同樣是電磁波，可見光爲什麼不能加熱食物呢？這是因爲，可見光的振盪頻率比水分子本徵頻率快得多，達不到“共振”的程度，食物吸收不了多少光的能量。

我們可以通過一個實驗，來說明“共振”的原理。

我們用6個鐘擺做共振實驗，首先把鐘擺都放在懸掛的活動板上，然後隨機撥動所有的鐘擺，這時候有的鐘擺向左，有的鐘擺向右。但左邊和右邊的力量總會不對等，從而造成一邊比另一邊的力多一點，多出的一點力就使得下面的活動板產生微小的擺動。

這個擺動也會對6個鐘擺施加共同的力。類似於微波對水分子那樣。共振就起作用了，沒有任何干預，所有鐘擺的步調會變得一致。

大家應該明白微波爐的工作原理了，但很多人還有一個問題：爲什麼微波爐明令禁止使用金屬容器呢？這是因爲，金屬容器不但對加熱食物毫無意義，還有潛在的危險。

在微波爐中加熱時，微波遇到“金鐘罩”就被反射了。而真正危險的是，在強大的微波作用下，金屬中的自由電子快速移動，產生的電弧會擊壞微波爐內壁，毀壞微波爐中的電子元器件，甚至把微波爐燒燬。所以在微波爐內使用金屬器皿絕對不是一個好主意。

走出廚房，微波的應用好像讓我們有了“另一雙眼睛”。微波雷達能爲各種交通工具提供精確的定位導航，爲軍隊偵查敵機和導彈；微波遙感技術使得航拍獲得的“微波地形圖”比可見光和紅外遙感獲得的圖像更真實。

現在，如果在太空探測，會發現極其微弱的微波輻射，這是整個宇宙的背景“噪聲”，是138億年前宇宙大爆炸留下的“遺產”。未來，人類或許可以利用這筆遺產做出了不起的事呢！

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