激光不只是火熱，制冷也超冷

李威

還記得《星球大戰(zhàn)》里的激光槍和能夠摧毀整個(gè)星球的死星超級(jí)激光炮嗎？還記得《星際迷航》里能讓敵人瞬間蒸發(fā)的相位武器嗎？受到一些科幻電影的影響，我們都知道激光是一種能量很強(qiáng)的光，它具有熱效應(yīng)，300mW的普通激光筆可以近距離點(diǎn)燃紙張。醫(yī)院里使用激光脫毛祛斑，甚至用激光焊接視網(wǎng)膜。工業(yè)上使用的強(qiáng)激光可以擊穿堅(jiān)硬的鋼板，連世界上最硬的物質(zhì)——鉆石，都可以使用激光來(lái)切割打磨。

激光的這個(gè)特性被科學(xué)家們用來(lái)研究核聚變，科學(xué)家們使用多束強(qiáng)激光同時(shí)射向一個(gè)充滿氘和氚的燃料芯，在這么多束激光的作用下，燃料芯的溫度可以超過(guò)1億攝氏度，這比太陽(yáng)中心溫度還高五六倍，這是世界上人類制造的最高的溫度，燃料芯受到的壓力則是地球大氣層壓力的1000億倍，于是燃料芯被點(diǎn)燃，氘和氚發(fā)生核聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量。

我們可以看到，以上的這些應(yīng)用都是利用了激光的亮度高、能量高度集中的特殊性質(zhì)?？墒悄阒绬幔窟@么“熱”的激光，還可以將原子冷卻到極低的溫度。這聽(tīng)起來(lái)多么的不可思議，簡(jiǎn)直背離我們的直覺(jué)。

“凍住”原子，激光有妙招

在解釋激光冷卻的原理之前，首先需要知道“熱”意味著什么？在公元18世紀(jì)，一個(gè)叫羅蒙諾索夫的科學(xué)家終于給出了答案：熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。理解了物體“熱”的本質(zhì)之后，我們也就知道了如何“冷卻”的方法，只要將物體內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)速度降下來(lái)，就可以達(dá)到目標(biāo)了。

實(shí)際上，原子和分子每時(shí)每刻都在隨機(jī)高速運(yùn)動(dòng)著，而我們希望它們可以減減速，這很容易，既然它們不會(huì)“剎車”，那就幫它們“剎車”，只需對(duì)它們施加一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的力就可以了?？伤鼈兲×?，小到我們不能用手指抓住它們并放慢它們的速度，所以需要找到一雙“小手”幫助我們實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望。

那誰(shuí)的“小手”可以幫助我們呢？科學(xué)家們想到了“光”?？蛇@想法好像行不通啊，因?yàn)榭茖W(xué)家似乎在往系統(tǒng)里添加能量以嘗試減少系統(tǒng)的能量，就好像試圖用噴火器吹滅蠟燭，這么做有用嗎？

當(dāng)然有用了，因?yàn)楣夂芴厥?，它雖然沒(méi)有質(zhì)量（光子的靜止質(zhì)量為零），但具有動(dòng)量。大量光子照射在物體上，會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生一種壓力，這個(gè)壓力被稱作“光壓”，這是光子把動(dòng)量傳給物體的結(jié)果。太陽(yáng)帆就是利用光壓作為推力的，彗星的尾巴總是背著太陽(yáng)也是受到了太陽(yáng)光壓的作用。

所以利用光子的光壓來(lái)使不斷運(yùn)動(dòng)的原子減速是一個(gè)可行的方法。如果有一個(gè)原子正在向一個(gè)方向移動(dòng)，迎面撞上了反方向移動(dòng)的光子，那么光子動(dòng)量就會(huì)轉(zhuǎn)移到原子上，原子的運(yùn)動(dòng)速度就變慢了，這就是激光冷卻的關(guān)鍵。

到這里可能又有疑問(wèn)了：一旦原子放慢了速度，豈不是會(huì)繼續(xù)受到更多光子的撞擊并朝相反方向加速嗎？而且原子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，如果原子和光子的運(yùn)動(dòng)方向相同，那豈不使原子運(yùn)動(dòng)得更快了？

實(shí)際上，因?yàn)樵觾H吸收特定波長(zhǎng)的光，所以科學(xué)家會(huì)確保將激光波長(zhǎng)調(diào)整為剛好大于靜止時(shí)原子的吸收波長(zhǎng)。這樣，根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)原子向光子移動(dòng)時(shí)，光的波長(zhǎng)會(huì)被壓縮，當(dāng)光的波長(zhǎng)被壓縮到恰好等于該原子的吸收波長(zhǎng)時(shí)，原子就會(huì)吸收光子，就會(huì)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，原子的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)減慢，動(dòng)能就會(huì)減小;而當(dāng)原子停止或沿著光子同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子就不會(huì)吸收光子了。

那如果原子總是像往常一樣在所有隨機(jī)方向上移動(dòng)怎么辦？這個(gè)問(wèn)題好解決，可以在另一個(gè)方向上添加更多的激光器。如果在原子頂部和底部、正面和背面也添加激光器或鏡子，這樣就有6個(gè)方向的激光來(lái)減慢可能以這6個(gè)方向的任何組合移動(dòng)的原子的運(yùn)動(dòng)速度。

那么，通過(guò)激光冷卻，可以達(dá)到多冷呢？科學(xué)家們?cè)?jīng)在實(shí)驗(yàn)室將溫度降低到0.5nK，這幾乎達(dá)到了絕對(duì)零度（-273.15℃）。但是，由于海森堡的不確定性原理，我們永遠(yuǎn)不會(huì)完全達(dá)到絕對(duì)零度，因?yàn)樵撛肀砻魑覀冇肋h(yuǎn)無(wú)法同時(shí)知道粒子的位置和動(dòng)量。因此，我們永遠(yuǎn)無(wú)法真正使原子的運(yùn)動(dòng)停下來(lái)。

對(duì)于通過(guò)激光冷卻所達(dá)到的非常低的溫度，如科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)的將物體冷卻到幾乎接近絕對(duì)零度，都是通過(guò)對(duì)小物體進(jìn)行制冷完成的。

那么，有什么理由要花費(fèi)如此多功夫來(lái)用激光制冷呢？起初的原因是如果想要精確地測(cè)量各種原子參數(shù)，最好的辦法就是冷卻原子使它們老實(shí)下來(lái)，乖乖地讓我們操控觀察。而如今則又多了個(gè)理由：如果要觀察宏觀物體的量子行為，則必須使其處于極冷狀態(tài)。

激光冷卻的應(yīng)用

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。激光真的是科學(xué)家的好幫手，不僅很熱，還能很冷。

（據(jù)中國(guó)科學(xué)院“科學(xué)大院”微信公眾號(hào)）