本文转载自公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids）
撰文 | Mirror
微波炉这么方便的东西是怎么发明出来的？
用微波炉加热食物为什么会里面先热？
微波炉为什么不能加热金属？
两颗葡萄在微波炉里为什么会擦出火花？
怎么还没轮到我？
上世纪早期的某天，美国工程师珀西·斯宾塞（Percy Spencer）在研究他的军用雷达装置时，发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这激起了斯宾塞的兴趣，排除其他因素后，他想到这可能是雷达在“捣蛋”，于是和几个同事开始拿军用设备，搞起了烹饪实验。
上世纪用微波加热食物的漫画 | 图源：Wikipedia
最先献身微波加热实验的食物是玉米粒，它们成了世界上第一份微波爆米花。大概是觉得这效果还不够酷炫，斯宾塞等人又将鸡蛋放进一个水壶，然后把发射电磁波的磁控管塞了进去。结果鸡蛋给了他们一个“惊喜”，变身“炸弹”，溅了当时正盯着它看的参与者一脸。
鸡蛋：不能只有我为科学献身 | 图源：programmer sought后来斯宾塞专门设计了一个金属箱，把磁控管安在里面，让电磁场更加集中可控，也不会泄露出去，这就是最早的微波炉原型。
雷达附近的热效应并不是斯宾塞最先注意到的，但他是最先对此探究下去，并发现它的应用价值的。
早期的微波炉 | 图源：Wikipedia
然而，和计算机一样，最早的商用微波炉非常笨重，大约1.8米高、340千克重，价格在那个年代就高达几千美元。直到1967年，微波炉的尺寸和价格才变得相对亲民，开始走进千家万户的厨房。和烤箱不同的是，用微波炉加热的食物，经常外面还是凉的，里面却先热了，微波就算是能穿透食物，也应该里里外外一起热，为什么会内部优先？虽然名叫“微波”，但在电磁波谱里它的波长比可见光和红外线都长（1毫米~1米），短于无线电波。微波炉使用的电磁波波长大约为12厘米，频率2.45GHz。
电磁波谱 | 图源：维基百科
无论是炉灶还是烤箱，本质上都是利用电磁波（红外线为主）加热食物，更靠近热源的食物表面先吸收热量，然后向内传递。而微波炉发出的微波能够直接作用于食物内部的某些分子。
现代微波炉的基本结构 | 图源：BusinessInsider
当然，食物内外都会受到微波作用，只不过，不是所有分子都会积极响应，主要还是靠水分子这类能被极化的“积极分子”打配合。水分子整体不带电，但它的正、负电荷中心不重合，是一种极性分子。
水分子结构示意图
在微波炉周期性变化的电磁场中，水分子就像个小磁铁开始“跳摇摆舞”，配合着电磁场的步调变换旋转方向，振动频率向微波频率趋近，高达24.5亿次/秒。周围其他分子在水分子的带动下也开始振动。而物质中的分子运动越剧烈，表现出来的温度也越高。
水分子随电磁场变化周期振动示意图 | 图源：engineerguy
水分子这么积极，食物含水量高的部分自然热得更快。很多食物外干内湿，或者表层水分流失得多，才会内部先热，再向外传导。如果成分均一，内外就会差不多热。由于微波加热依靠的是分子振动，在冷冻食品中，水分子的振动受到了限制，加热效率就没那么高了。那么，为什么要选择2.45GHz这个特定频率的微波呢？实际上家用WiFi也在这个频段，它属于国际电信联盟规定的，对工业、科学和医学领域开放使用的频段，避开了通信等领域所使用的频段。另外，微波炉采用这个频率还综合考虑到了加热效率和成本的问题。打开微波炉说明书，上面一定会有不能加热金属的警示。然而，令人疑惑的是，微波炉里本来就有金属结构，最明显的就是微波炉门上的金属网。微波炉的外壳本质上就是个金属笼子，相当于一个法拉第笼，能够把电磁波困在里面。
法拉第笼能够屏蔽电磁场 | 图源：Wikipedia
微波在炉内四处反射，但无法逃脱。这样微波的能量便可以集中起来，让食物吸收。虽然微波炉不是个完美的法拉第笼，但一款合格的微波炉泄露出去的微波强度远不及阳光的辐射强度，所以你大可不必担心自己被微波“煮熟”。然而，在一些特定情况下，金属会把你的微波炉变成一个灾难现场。金属内部有许多能自由移动的电子，它们在变化的电磁场中会重新分布。当电势差积累到一定程度，就可能像夏天的积雨云那样，产生闪电。
微波炉中的铝箔纸（上）和叉子（下）产生电火花，请勿模仿！| 图源：programmersought
薄而褶皱的铝箔纸和尖锐分叉的叉子都属于高危物品，它们的犄角旮旯处容易堆积电荷，形成电势差，产生电弧，甚至能将金属材料和微波炉损毁。金属在微波炉中冒火花不算意外，不可思议的是，两颗葡萄在微波炉里也会“擦出”火花，甚至比金属更剧烈（危险，请勿模仿）。只用一颗葡萄，或者换成其他浆果都不行。
微波炉中的两颗葡萄激起火花 | 图源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)
这一现象在早些年前就受到了热议，但没有人给出合理解释，直到去年，一个科研团队才解开了这个谜团。让葡萄擦出火花的是一种叫做米氏共振（Mie resonance）的现象。米氏共振，又称结构共振（morphology-dependentresonance），指的是某些特定形状、材质的物体尺寸与电磁波波长相近时，产生的相互作用。前面我们提到微波炉的微波波长大约为12厘米，这里指的是它在空气中的波长。在不同介质中，微波的波长和折射率都不同，它在葡萄果肉（主要是水）中的波长只有原来的1/10，即1.2厘米左右，这个长度恰好与一颗葡萄的直径接近，符合米氏共振的条件，微波被困在葡萄内部不断反射，形成震荡的电磁场。
微波炉中两颗葡萄的热量分布 | 图源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)
此时如果两颗葡萄的距离小于一个波长，它们内部的电磁场就会发生相互作用，接触点的电磁场强度大幅增加，最后将葡萄中的离子（主要是钠离子和钾离子）电离，激发出等离子体，空气也会被击穿，形成电火花。研究者在实验时，把两颗葡萄换成大小差不多的水凝胶珠也达到了相同的效果。他们还想到了将这一原理运用在更精细的光刻技术中。只是在成功的实验背后，恐怕已经有不少微波炉君壮烈牺牲……
微波炉：我为你们付出了太多（非该实验现场）
就算你不在乎牺牲微波炉，剧烈的电火花和爆炸也很可能伤到人，或引起火灾。所以无论是金属，还是葡萄，如果你没有实验人员的专业防护措施，都千万别贸然尝试。
此外，普通塑料包装和普通保鲜膜也不宜放进微波炉里加热，因为这些塑料会被热化，污染食物。塑料中，只有明确标识可放进微波炉的耐高温材料（如PP塑料）才能用微波炉加热。还有鸡蛋、包装封闭的食品等密封系统也不宜放进微波炉，不信的，请回头看斯宾塞同事怨念的眼神。只要不作死，微波炉其实还是相当安全高效的厨具和实验道具。
图源：《命运石之门》
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编辑：小烩饼