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零度（-273.15°C）的方法。在這個過程中，激光束被用作冷卻源，通過與物體相互作用，將物體表面的熱量吸收并傳遞到激光束中，從而實現(xiàn)對物體的降溫。激光制冷在人類科研領(lǐng)域大展身手，不僅幫助科學(xué)家們觀測相干的物質(zhì)波波長，也為科學(xué)家們在精密測量、量子信息等領(lǐng)域打開了新的研究窗口。

這項技術(shù)比較接地氣的應(yīng)用就是“時間”了。在以往，科學(xué)家們利用原子超精細結(jié)構(gòu)躍遷能級具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點，發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，它的精度誤差達到了1秒/300萬年。而科學(xué)家在有了激光冷卻技術(shù)的加持后，可以將銫原子的運動速度降低，從而設(shè)計出冷原子鐘，它的精度誤差可以減小到1秒/3億年。我國的天宮二號搭載的全球首臺空間冷原子鐘是世界上計時最精確的時鐘，它與環(huán)繞地球運行的北斗衛(wèi)星一同合作，為我們提供精確到厘米級的導(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)帶路的飛機和汽車暢行于世界各地時，不要忘記這背后離不開激光的功勞。

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

1. **多普勒效應(yīng)**：當(dāng)原子朝著或遠離激光束運動時，由于多普勒效應(yīng)，原子感受到的激光頻率會發(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），那么朝向激光束運動的原子會看到一個藍移的光譜，因此更容易吸收光子；相反，背離激光束運動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)動量守恒定律，會獲得與光子動量相反的動量，導(dǎo)致原子減速。之后，原子通過自發(fā)輻射過程釋放光子，并隨機方向上重新獲得動能，但由于在稀薄氣體中，這個釋放的光子幾乎不會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，這樣無論原子朝哪個方向運動，總有一束或多束激光可以對其施加減速度的作用。

4. **捕獲和囚禁**：除了冷卻外，科學(xué)家還利用磁場和光學(xué)勢阱進一步將慢速原子捕獲并囚禁在一個有限空間內(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。

通過激光冷卻技術(shù)，可以實現(xiàn)接近絕對零度（-273.15°C）的超低溫環(huán)境，這對于高精度物理測量、量子信息處理、玻色-愛因斯坦凝聚等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

激光那么“熱”，為什么可以用來冷卻原子？

在世人的眼中，激光是一種能量很強的光，它有熱效應(yīng)，強激光能擊穿金屬，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零度高那么一點點兒。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)，如果以上問題要問得更物理一些，其實我們應(yīng)該這樣來問，即像這樣“今天的大氣分子運動速度有多快？”“水分子運動速度是多少？”

是的，熱就是物體中微觀粒子運動速度快慢的表現(xiàn)。拿水來說就是這樣：若水分子運動得慢，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，若水分子運動劇烈，則水就開始沸騰、蒸發(fā)，變成氣體飛到空中……

熱的本質(zhì)，現(xiàn)在看來很簡單，但是直到1745年，一個叫羅蒙諾索夫的俄羅斯科學(xué)家才真正道出，他說：熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運動的表現(xiàn)！

而在之前，熱的本質(zhì)幾乎是一個未解之謎。那時候，如果你問，為什么有的東西熱，有的東西冷？人們會毫不猶豫地告訴你，那是因為熱的東西有熱素，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？很簡單，把微觀粒子的運動速度降下來。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動速度高達每秒幾百米，這跟某些槍的初速差不多。即使溫度低到零下270℃，也會有一部分微觀粒子的速度達到每秒幾十米。因此，要讓分子原子的運動速度大大降低，著實不是一件容易的事。

原子、分子那么小，你要讓它們的速度降下來，不可能用一些粗暴的辦法，因為它們太小了，一個好辦法是，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“撞擊”分子或者原子呢？最適合的莫過于光子了。我們都知道，光子會產(chǎn)生一種壓力，這就是光壓。科幻中或者設(shè)想中的太陽帆就是利用無數(shù)的光子作為推力的。

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

這個疑問非常有道理，這也是無數(shù)人在理解激光冷卻時必然會遇到的一個問題。

要度過這道坎，咱們得從原子的能級說起。

原子的能級

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。舉個不準(zhǔn)確但是非常形象的比喻就是，原子核就是太陽，電子就是行星。

跟太陽系所不同的是，電子只能從這個軌道躍遷到另一個軌道，絕不會待在兩個軌道之間的某一個位置。也就是說，如果地球是一個電子，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層時必須要獲得能量：比如捕獲某個光子，這個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，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作為一個光子發(fā)射出去，而這個光子的能量恰好等于第3層和第2層之間的能量差。

從以上我們看出來了，原子要想吸收光子的話，這個光子的能量是電子不同能級的能量差。也就是說，原子不可能吸收一個光子后，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，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，就能讓迎面而來的原子速度降低，然而，難點是，原子的運動方向如果跟光子相同，就會加快原子的運動速度。

不過，在回顧了上文中原子的能級后，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，迎面而來的火車，其聲尖銳，因為火車發(fā)出的聲波跟火車一個方向，聲波被“擠壓”，頻率升高了；同理，逐漸遠去的火車，其聲音的音調(diào)變低，因為聲波被“拉伸”，頻率降低。

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

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。而剛才我們說了，原子只能吸收固定的能量，換句話說，原子只能吸收某種頻率的光子，這個頻率就是原子的固有頻率。

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

這，就是激光冷卻原子的原理！