【菜科解读】

　　左:多模激波流体层实验的发展。

中间:ICF胶囊内爆过程中的实验(上)和模拟(下)x射线自发射。

右图:来自RMI模拟的体积分数。

红色箭头表示可能的涡环和偶极子。

所有图片均经许可转载。

Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001

　　据密歇根大学：更好地理解漩涡状环形扰动的形成——被称为涡环——可以帮助核聚变研究人员更有效地压缩燃料，使其更接近成为一种可行的能源。

　　密歇根大学研究人员开发的模型可以帮助设计燃料舱，最大限度地减少试图点燃让恒星发光的反应时的能量损失。

此外，该模型还可以帮助其他必须在冲击波通过后管理流体混合的工程师，如设计超音速喷气发动机的工程师，以及试图了解超新星的物理学家。

　　“这些涡环从塌缩的恒星向外移动，将最终成为星云、行星甚至新恒星的物质填充到宇宙中——并在聚变内爆期间向内移动，破坏了燃烧的聚变燃料的稳定性，降低了反应的效率，”U-M大学机械工程博士生兼该研究的通讯作者Michael Wadas说。

　　他说:“我们的研究阐明了这种涡环是如何形成的，可以帮助科学家了解宇宙中一些最极端的事件，并使人类更接近于捕捉核聚变作为一种能源的力量。

”

　　核聚变将原子推到一起，直到它们融合。

这一过程释放的能量比分裂原子或裂变多几倍，这为今天的核电站提供了动力。

研究人员可以创造这种反应，将各种形式的氢合并到氦中，但目前，这个过程中使用的大部分能量都被浪费了。

　　部分问题是燃料不能被整齐地压缩。

不稳定性导致喷流的形成，喷入热点，燃料在喷流之间喷出——Wadas将其比作试图用手挤压橙子，果汁会从手指间漏出。

　　研究人员表明，在这些射流的前沿形成的涡环在数学上类似于烟环、水母后面的漩涡和从超新星表面飞出的等离子体环。

　　也许最着名的聚变方法是一个球形激光阵列，所有激光都指向一个球形燃料舱。

这就是在国家点火装置上进行实验的方法，该装置近年来多次打破能量输出的记录。

　　来自激光的能量蒸发了燃料周围的材料层——这是一个近乎完美的实验室生长的钻石外壳，于2022年12月创下最新纪录。

当外壳蒸发时，它驱使燃料向内，同时碳原子向外飞出。

这产生了冲击波，将燃料推得如此之重，以至于氢气熔化。

　　虽然球形燃料芯块是人类制造的最完美的圆形物体，但每个都有一个故意的缺陷:燃料进入的填充管。

研究人员解释说，就像一根稻草卡在压碎的橙子中一样，当压缩开始时，这是最有可能形成涡环引导的射流的地方。

　　“聚变实验发生得如此之快，以至于我们真的只需要将喷流的形成延迟几纳秒，”U-M大学机械工程副教授埃里克·约翰森说，他负责监督这项研究。

　　这项研究汇集了Wadas和Johnsen的流体力学专业知识，以及核工程和放射科学副教授Carolyn Kuranz实验室的核和等离子体物理知识。

　　“在高能量密度物理学中，许多研究指出了这些结构，但没有明确地将它们识别为涡环，”Wadas说。

　　Wadas和Johnsen对聚变实验和天体物理观测中看到的结构的深入研究有所了解，他们能够利用和扩展现有的知识，而不是试图将它们描述为全新的特征。

　　约翰森特别感兴趣的是，当恒星爆炸时，涡环可能有助于推动重元素和轻元素之间的混合，因为一定发生了一些混合过程，从而产生了像地球这样的行星的成分。

　　该模型还可以帮助研究人员了解涡环可以携带的能量极限，以及在流动变得湍流并因此更难建模之前可以推动多少流体。

在正在进行的工作中，该团队正在通过实验验证涡环模型。

　　这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。

能量永恒守恒，读懂热力学第一定律

世间所有能量既不能凭空产生，也无法彻底消亡，只会在热能、机械能、电能等不同形态间相互转换，整体总量始终保持不变。

从日常起居到工业运转，乃至宇宙天体活动，一切热现象与能量变化，都遵循这条基本规律。

很早之前人们对热量认知存在误区，曾认为热是一种可以流动的特殊物质，只能单纯从高温物体转移到低温物体。

直到工业时代蒸汽机普及，摩擦生热、做功发热等现象不断出现，原有理论无法解释能量变化谜题。

多位科学家潜心试验研究，焦耳通过大量做功产热实验，确定了机械能与热量的换算关系，最终总结确立热力学第一定律，推翻陈旧观点，搭建起热力学研究的基础框架。

这条定律清晰界定出能量变化的逻辑。

一个物体的内能改变，来源只有两种途径，要么外界对它做功，要么发生热量传递。

做功可以让其他形式的能量转变为内能，热量则会在温差作用下自然流转，无论以哪种方式变化，整个系统的总能量都不会出现增减。

不存在无中生有的能量，也不会有彻底消失的能量，只是不断变换存在的模样。

生活里随处都能找到对应的实例。

冬天双手相互摩擦，手部运动的动能转化为热能，肌肤温度随之上升。

烧水煮饭时，燃料蕴含的化学能释放出来，转变为热量传递给水，水温慢慢升高。

电动车行驶途中，电能化作驱动车身前进的机械能，行驶颠簸、轮胎摩擦又会产生热能散失出去。

每一种变化，都是能量形态交替转换的过程。

依托定律原理，便能明白永动机永远无法制造成功。

幻想中不用补给能量，就能持续不停对外做功的机器，违背了能量守恒本质。

机器运转必然会损耗能量，一部分能量会以热量形式散发损耗，想要维持持续运转，就必须不间断补充新的能源，没有能量供给，机械最终都会停下运行。

放眼大自然，天地间的能量循环同样恪守规律。

太阳内部不断发生核反应，将物质能量转化为光与热，跨越空间抵达地球。

绿植吸收光能储存化学能，动物进食获取能量，风雨洋流依靠热能与势能推动形成循环。

整套生态运转体系，能量不停流转变换，整体数值始终稳定平衡。

现代工业生产更是离不开热力学第一定律。

火力发电将燃料化学能转为电能，空调制冷制热完成热量搬运，内燃机依靠能量转换驱动设备工作。

技术研发中，人们依据能量转化规律优化设备结构，减少不必要的热量损耗，提升能源利用效率，以此降低资源消耗。

看不见摸不着的能量，始终按照固定规则流转更替。

热力学第一定律道出了能量运动的真相，帮人类读懂自然变化原理，也凭借这一规律开发能源、制造器械，让自然能量切实服务于日常生产与生活。

看不见的无形能量 聊聊生活里无处不在的电磁辐射

从宇宙太空、自然环境，到手机家电、通讯基站，都会向外释放电磁辐射。

很多人谈辐射色变，担忧危害身体健康，其实电磁辐射分不同类型与强度，并非全都有害，分清类别、了解原理，就能理性看待这种普遍存在的自然现象。

自然界本身就源源不断产生电磁辐射，这是宇宙与生俱来的能量形态。

太阳时刻向外辐射光波与热能，抵达地球滋养万物生长，雷电爆发瞬间也会释放强烈电磁波动，山川大地、岩石土壤同样存在天然辐射。

这类天然电磁辐射存在数十亿年，地球生物一直与之共存，强度温和稳定，不会对人体造成伤害，也是生态循环里不可或缺的一部分。

人类步入电气时代后，人工电磁辐射开始大量出现。

只要用到电、具备信号传输功能的设备，运行期间都会产生辐射。

家里的电视、冰箱、微波炉、路由器，日常随身携带的手机、蓝牙耳机，出行用到的电动车，还有城市里林立的通讯基站、高压输电线路，都会向外散发电磁能量。

生活越便捷智能，身边人工辐射的分布就越密集。

大家不必过度恐慌，电磁辐射按照能量高低，划分成非电离辐射与电离辐射两大类二者对人体的影响天差地别。

日常家电、数码设备产生的都属于低能量非电离辐射，它只能产生热效应，无法破坏人体细胞分子结构，正常使用前提下，辐射数值远低于国家安全标准，不会损伤器官与基因。

真正具备危险性的是高能量电离辐射，这类辐射穿透力极强，能够击穿细胞、破坏 DNA 结构。

医院 CT 拍片、核工业设施、宇宙高能射线都属于这类范畴。

生活里普通人很少接触到大剂量电离辐射，医院检查单次辐射剂量可控，遵循医嘱检查就不会带来健康隐患。

日常使用电器的小习惯，也能轻松减少辐射接触。

接听电话尽量远离头部，通话时长不要过长；

微波炉工作时保持一段距离，不要紧贴舱体；

夜间睡觉远离手机、路由器等通电设备。

家电摆放尽量分散，不要扎堆集中放置，避免局部辐射叠加。

这些简单做法，就能进一步降低身体接收的辐射量。

网络上流传的防辐射服饰、屏蔽挂件大多噱头大于实际作用。

合格家电出厂前都会严格把控辐射指标，日常环境辐射本就处于安全区间，无需花费高价购置防护用品。

与其盲目防护，不如保持健康作息，减少长时间沉迷电子设备，既能降低辐射接触，也能保护视力与身心状态。

电磁辐射从来不是可怕的有害物质，而是客观存在的物理能量。

天然辐射孕育生命，人工辐射助力生活便利，只要把控好接触尺度，遵守设备使用规范，就能安心享受科技带来的便捷，不必对无形的电磁辐射心生畏惧。