用目光感知你心里的温度

曹先存
　　我，是航空大家庭里小小科研工作者一枚，漫漫且崎岖的科研生涯途中。和大家一样，喜欢观察问题，揣摩问题，喜欢探索未知，想象未知，这大概是天性。
　　今天要说的小故事，仅仅是工作中的日常，是记忆长河里遇到的众多困难时激起的小小浪花中的一朵。
　　我的工作中经常要接触到超高真空（单位体积内的分子数大约只有大气压下的万亿分之一），超高真空，就要求绝对洁净和良好的密封，我们团队要解决的问题就是，精准测量超高真空环境下，被加热的基板的表面温度。
　　测温的方法很多，例如温度计，利用液体在温度变化时体积的变化来测温。还有红外测温仪，利用物体红外辐射的能量变化来实现测温。它们分别代表了两个测温的理念，接触式和非接触式测温。接触式测温精确度高，不需要经常校正，测温过程受到的干扰小，但实现测温要接触目标；非接触测温精度低，容易受环境的影响，但操作简单，且不会对目标造成影响。实际应用中，两种测温方式都有一定的误差，超高真空环境下，一般两种方式同时采用，相互校正。因此，一种精度高、可以原位校正的测温方式，成了做超高真空实验的一个现实需求。
　　为了解决问题，接触式测温时，我们先是想办法精确固定热偶的抵近位置，使之更接近被测目标，然后通过控制减少基板转动对测温结果的影响。非接触式测温时，一方面增加屏蔽，降低环境红外辐射进入到测温窗口内几率和强度；另一方面对观测窗口进行除气，减少红外辐射经过窗口时产生衰减。通过不断地探索，提高测温精度和稳定性。但是这两种办法始终存在着局限性，与学术界普遍采用的温度判据相符性有偏差。多这个问题就一直萦绕在我脑海里，不曾消失。
　　一天，我们实验用的金属镓不小心滴落在桌面上。镓这种金属，常温下为液态（熔点29.76℃）。当我去清理的时候，发现它与金属镊子接触后，很容易就被拉成金属丝。因为金属是热的良导体，凉的镊子很容易使少量液态的镓冷却，从而完成凝固过程。当手接触镓时，又因为手的温度高，镓滴又很容易吸收热量再熔成液态，由于表面张力的作用，自动形成光滑的球状表面。当时这个现象并没有引起太多思考，当有一天我又在思考测温问题时，忽然间，就将这两件事情联系了起来。如果把镓冷却后形成一个锥形，放到测温基板表面，慢慢升温，待到达镓熔点后，从外部就可以观察到镓的锥体变成了液滴，从而可以确认，此时基板到达了29.76℃。如果用金属铟来做同样的实验，则可以确定另外一个温度点156.6℃（铟的熔点），此时我们就可以拟合出一个温度曲线，外推出所有的温度点。如果再用不同的熔点的合金去做实验，就可以实现任意温度的精确标定，且不影响超高真空环境。就此项技术，我们申请并获批了专利。这个过程中，我们把不易直接测准的温度这个基本物理量延伸为可以观测的形变，用目光观察就可以判断基板上的温度，从而实现了超高真空下的精确测温和校正。这种思路，其实是科研中常用的方法。如果你一直在思考，一直在准备着，那么你就有机会从另外的一个角度去解决看似不相关的棘手问题。
　　在认知和了解世界的征途中，人类从未穷尽对任何一个对象的描述。一个典型例子，一棵树，生物学家可以给出它属于什么科，什么属；美学可以描绘出它的美，它的色彩；几何学可以讲述它树冠和叶片的对称；物理学可以讲述它枝干的柔韧性和强度；化学则可以讲述它体内包含的成分，果实的营养；地理学则可以给出它生存条件的选择和地域分布……所有的这些都是对这棵树的描述，都准确，但同时又都不够完整。即便是利用当前我们人类所有的知识，也不能将这棵树描述得完备。但幸运的是，我们可以无限地去接近真相。