什么叫激光冷卻以及激光冷卻的應(yīng)用？

激光冷卻是一種利用激光將物體冷卻到接近絕對(duì)零度（-273.15°C）的方法。在這個(gè)過(guò)程中，激光束被用作冷卻源，通過(guò)與物體相互作用，將物體表面的熱量吸收并傳遞到激光束中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的降溫。激光制冷在人類科研領(lǐng)域大展身手，不僅幫助科學(xué)家們觀測(cè)相干的物質(zhì)波波長(zhǎng)，也為科學(xué)家們?cè)诰軠y(cè)量、量子信息等領(lǐng)域打開(kāi)了新的研究窗口。

這項(xiàng)技術(shù)比較接地氣的應(yīng)用就是“時(shí)間”了。在以往，科學(xué)家們利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級(jí)具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點(diǎn)，發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，它的精度誤差達(dá)到了1秒/300萬(wàn)年。而科學(xué)家在有了激光冷卻技術(shù)的加持后，可以將銫原子的運(yùn)動(dòng)速度降低，從而設(shè)計(jì)出冷原子鐘，它的精度誤差可以減小到1秒/3億年。我國(guó)的天宮二號(hào)搭載的全球首臺(tái)空間冷原子鐘是世界上計(jì)時(shí)最精確的時(shí)鐘，它與環(huán)繞地球運(yùn)行的北斗衛(wèi)星一同合作，為我們提供精確到厘米級(jí)的導(dǎo)航定位。

當(dāng)我們乘坐著由激光切割并焊接，靠北斗導(dǎo)航系統(tǒng)帶路的飛機(jī)和汽車暢行于世界各地時(shí)，不要忘記這背后離不開(kāi)激光的功勞。

激光冷卻是一種利用激光與原子相互作用來(lái)降低原子速度，從而實(shí)現(xiàn)超低溫的技術(shù)。其基本原理包括以下幾個(gè)關(guān)鍵概念：

1. **多普勒效應(yīng)**：當(dāng)原子朝著或遠(yuǎn)離激光束運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子感受到的激光頻率會(huì)發(fā)生變化。如果激光的頻率略高于原子在靜止?fàn)顟B(tài)下能吸收的特定頻率（即共振頻率），那么朝向激光束運(yùn)動(dòng)的原子會(huì)看到一個(gè)藍(lán)移的光譜，因此更容易吸收光子；相反，背離激光束運(yùn)動(dòng)的原子看到的是紅移光譜，不易吸收。

2. **反沖效應(yīng)**：原子吸收光子后，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，會(huì)獲得與光子動(dòng)量相反的動(dòng)量，導(dǎo)致原子減速。之后，原子通過(guò)自發(fā)輻射過(guò)程釋放光子，并隨機(jī)方向上重新獲得動(dòng)能，但由于在稀薄氣體中，這個(gè)釋放的光子幾乎不會(huì)立即被其他原子再次吸收，所以整體上原子系統(tǒng)的平均速度下降，溫度也隨之降低。

3. **多方向激光照射**：為了更有效地冷卻，通常采用多束激光從不同方向照射原子云，這樣無(wú)論原子朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，總有一束或多束激光可以對(duì)其施加減速度的作用。

4. **捕獲和囚禁**：除了冷卻外，科學(xué)家還利用磁場(chǎng)和光學(xué)勢(shì)阱進(jìn)一步將慢速原子捕獲并囚禁在一個(gè)有限空間內(nèi)，形成所謂的“磁光陷阱”或“光晶格”，以維持穩(wěn)定的超冷原子氣體。

通過(guò)激光冷卻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)接近絕對(duì)零度（-273.15°C）的超低溫環(huán)境，這對(duì)于高精度物理測(cè)量、量子信息處理、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

激光那么“熱”，為什么可以用來(lái)冷卻原子？

在世人的眼中，激光是一種能量很強(qiáng)的光，它有熱效應(yīng)，強(qiáng)激光能擊穿金屬，可以充當(dāng)武器。但是，現(xiàn)在卻有激光冷卻，能把原子的溫度冷卻到只比絕對(duì)零度高那么一點(diǎn)點(diǎn)兒。這是怎么做到的呢？

熱的本質(zhì)

激光冷卻不難理解，但在徹底理解它之前，我們還需要再了解一些東西。熱大家都知道，但是熱的本質(zhì)，我們還需要再回顧一下。

“今天氣溫有多高？”“水有多冰涼？”等等諸如這些句子是我們?nèi)粘Ａ摹盁帷钡囊环N方式。

日常不代表本質(zhì)，如果以上問(wèn)題要問(wèn)得更物理一些，其實(shí)我們應(yīng)該這樣來(lái)問(wèn)，即像這樣“今天的大氣分子運(yùn)動(dòng)速度有多快？”“水分子運(yùn)動(dòng)速度是多少？”

是的，熱就是物體中微觀粒子運(yùn)動(dòng)速度快慢的表現(xiàn)。拿水來(lái)說(shuō)就是這樣：若水分子運(yùn)動(dòng)得慢，水的溫度就低，若更慢，水分子就不到處亂跑了，而是原地踏步，于是，水就成了冰；相反，若水分子運(yùn)動(dòng)劇烈，則水就開(kāi)始沸騰、蒸發(fā)，變成氣體飛到空中……

熱的本質(zhì)，現(xiàn)在看來(lái)很簡(jiǎn)單，但是直到1745年，一個(gè)叫羅蒙諾索夫的俄羅斯科學(xué)家才真正道出，他說(shuō)：熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)！

而在之前，熱的本質(zhì)幾乎是一個(gè)未解之謎。那時(shí)候，如果你問(wèn)，為什么有的東西熱，有的東西冷？人們會(huì)毫不猶豫地告訴你，那是因?yàn)闊岬臇|西有熱素，冷的東西有冷素。

如何冷卻

回顧了一遍熱的成因后，我們就能繼續(xù)下一步了，如何有效地冷卻？很簡(jiǎn)單，把微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度降下來(lái)。生活中，降溫的方法很多很多，然而，要想得到全宇宙最低的溫度，就必須使用激光！

正常的室溫條件下，空氣中大氣分子的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒幾百米，這跟某些槍的初速差不多。即使溫度低到零下270℃，也會(huì)有一部分微觀粒子的速度達(dá)到每秒幾十米。因此，要讓分子原子的運(yùn)動(dòng)速度大大降低，著實(shí)不是一件容易的事。

原子、分子那么小，你要讓它們的速度降下來(lái)，不可能用一些粗暴的辦法，因?yàn)樗鼈兲×?，一個(gè)好辦法是，用一些更小的粒子去“撞擊”它們，抵消它們的速度，這就類似于，一輛迎面而來(lái)的小車，它處在自由滑行的狀態(tài)，為了降低它的速度，你可以不斷地向它扔石頭，每砸一次，小車的速度降低一些，直到降低到我們想要的速度。

那么，用什么來(lái)“撞擊”分子或者原子呢？最適合的莫過(guò)于光子了。我們都知道，光子會(huì)產(chǎn)生一種壓力，這就是光壓。科幻中或者設(shè)想中的太陽(yáng)帆就是利用無(wú)數(shù)的光子作為推力的。

說(shuō)到這里，肯定有人馬上生出疑問(wèn)：說(shuō)得輕巧，但是你知道嗎？分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，有的迎面向你運(yùn)動(dòng)，這好辦，有的卻是同向運(yùn)動(dòng)，你把光子扔過(guò)去，遇到迎面的分子，這自然能降低它們的速度，但是，如果分子的運(yùn)動(dòng)方向跟光子相同，你豈不是又增加了分子的運(yùn)動(dòng)速度？這么一搞下來(lái)，等于是做無(wú)用功。

這個(gè)疑問(wèn)非常有道理，這也是無(wú)數(shù)人在理解激光冷卻時(shí)必然會(huì)遇到的一個(gè)問(wèn)題。

要度過(guò)這道坎，咱們得從原子的能級(jí)說(shuō)起。

原子的能級(jí)

原子就是原子核加上原子核外面的眾多電子。而電子在原子核外面的排布是分極的。舉個(gè)不準(zhǔn)確但是非常形象的比喻就是，原子核就是太陽(yáng)，電子就是行星。

跟太陽(yáng)系所不同的是，電子只能從這個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，絕不會(huì)待在兩個(gè)軌道之間的某一個(gè)位置。也就是說(shuō)，如果地球是一個(gè)電子，那么，它要么獲得能量后，躍遷到火星的軌道，或者失去能量，降到金星的軌道，決不能處在地球軌道和火星軌道的中間。

就像一棟電梯樓，有的電子處在第一層，它的能量最低，此時(shí)我們稱為基態(tài)，有的電子處在第二層，有的處在第三層……顯然，電子要想從第1層躍遷到第2層時(shí)必須要獲得能量：比如捕獲某個(gè)光子，這個(gè)光子的能量恰好等于第1層和第2層之間的能量差。

而電子從第3層躍遷到第2層時(shí)，顯然電子的能量值就降低了，但是能量不能憑空消失，所以，電子減少的那一部分能量會(huì)作為一個(gè)光子發(fā)射出去，而這個(gè)光子的能量恰好等于第3層和第2層之間的能量差。

從以上我們看出來(lái)了，原子要想吸收光子的話，這個(gè)光子的能量是電子不同能級(jí)的能量差。也就是說(shuō)，原子不可能吸收一個(gè)光子后，核外的電子從第2層躍遷到了第2.7層，這是不可能發(fā)生的。

明白了這點(diǎn)，我們就能知道如何讓原子減速了。

多普勒效應(yīng)

上文中，咱們已經(jīng)知道，朝原子發(fā)射光子，就能讓迎面而來(lái)的原子速度降低，然而，難點(diǎn)是，原子的運(yùn)動(dòng)方向如果跟光子相同，就會(huì)加快原子的運(yùn)動(dòng)速度。

不過(guò)，在回顧了上文中原子的能級(jí)后，我們已經(jīng)明白：不是所有的光子，原子都能吸收！

既然這樣，可不可以讓迎面而來(lái)的原子吸收我們發(fā)射的光子，而同向而去的原子不吸收？當(dāng)然可以了，根據(jù)什么呢？多普勒效應(yīng)。

我們知道，迎面而來(lái)的火車，其聲尖銳，因?yàn)榛疖嚢l(fā)出的聲波跟火車一個(gè)方向，聲波被“擠壓”，頻率升高了；同理，逐漸遠(yuǎn)去的火車，其聲音的音調(diào)變低，因?yàn)槁暡ū弧袄臁?，頻率降低。

光既是粒子也是電磁波，如果光是迎面而來(lái)，那么被壓縮，光的頻率就會(huì)升高，如果光是遠(yuǎn)離而去，光的頻率就會(huì)降低。

頻率決定了光的能量，比如紫外線的頻率比紅光的高，所以紫外線能量能紅光的高。而剛才我們說(shuō)了，原子只能吸收固定的能量，換句話說(shuō)，原子只能吸收某種頻率的光子，這個(gè)頻率就是原子的固有頻率。

接下來(lái)，就好辦了。當(dāng)我們要想冷卻某種原子的時(shí)候，發(fā)射一束頻率比該原子固有頻率稍低的光子，此時(shí)，對(duì)于迎面而來(lái)的原子來(lái)說(shuō)，這束光子的頻率會(huì)升高，高到恰好等于該原子的固有頻率，于是被吸收，然后被減速。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)同向的原子呢，這束光的頻率會(huì)降低，就不能吸收了。

這，就是激光冷卻原子的原理！