激光不只是火熱，制冷也超冷

李威

還記得《星球大戰》里的激光槍和能夠摧毀整個星球的死星超級激光炮嗎？還記得《星際迷航》里能讓敵人瞬間蒸發的相位武器嗎？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的光，它具有熱效應，300mW的普通激光筆可以近距離點燃紙張。醫院里使用激光脫毛祛斑，甚至用激光焊接視網膜。工業上使用的強激光可以擊穿堅硬的鋼板，連世界上最硬的物質——鉆石，都可以使用激光來切割打磨。

激光的這個特性被科學家們用來研究核聚變，科學家們使用多束強激光同時射向一個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1億攝氏度，這比太陽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，于是燃料芯被點燃，氘和氚發生核聚變反應，釋放出巨大的能量。

我們可以看到，以上的這些應用都是利用了激光的亮度高、能量高度集中的特殊性質。可是你知道嗎？這么“熱”的激光，還可以將原子冷卻到極低的溫度。這聽起來多么的不可思議，簡直背離我們的直覺。

“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，一個叫羅蒙諾索夫的科學家終于給出了答案：熱是物質內部分子運動的表現。理解了物體“熱”的本質之后，我們也就知道了如何“冷卻”的方法，只要將物體內部分子的運動速度降下來，就可以達到目標了。

實際上，原子和分子每時每刻都在隨機高速運動著，而我們希望它們可以減減速，這很容易，既然它們不會“剎車”，那就幫它們“剎車”，只需對它們施加一個與運動方向相反的力就可以了。可它們太小了，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”幫助我們實現這個愿望。

那誰的“小手”可以幫助我們呢？科學家們想到了“光”。可這想法好像行不通啊，因為科學家似乎在往系統里添加能量以嘗試減少系統的能量，就好像試圖用噴火器吹滅蠟燭，這么做有用嗎？

當然有用了，因為光很特殊，它雖然沒有質量（光子的靜止質量為零），但具有動量。大量光子照射在物體上，會對物體產生一種壓力，這個壓力被稱作“光壓”，這是光子把動量傳給物體的結果。太陽帆就是利用光壓作為推力的，彗星的尾巴總是背著太陽也是受到了太陽光壓的作用。

所以利用光子的光壓來使不斷運動的原子減速是一個可行的方法。如果有一個原子正在向一個方向移動，迎面撞上了反方向移動的光子，那么光子動量就會轉移到原子上，原子的運動速度就變慢了，這就是激光冷卻的關鍵。

到這里可能又有疑問了：一旦原子放慢了速度，豈不是會繼續受到更多光子的撞擊并朝相反方向加速嗎？而且原子的運動是隨機的，如果原子和光子的運動方向相同，那豈不使原子運動得更快了？

實際上，因為原子僅吸收特定波長的光，所以科學家會確保將激光波長調整為剛好大于靜止時原子的吸收波長。這樣，根據多普勒效應，當原子向光子移動時，光的波長會被壓縮，當光的波長被壓縮到恰好等于該原子的吸收波長時，原子就會吸收光子，就會從基態躍遷到激發態，原子的運動速度就會減慢，動能就會減小;而當原子停止或沿著光子同向運動時，原子就不會吸收光子了。

那如果原子總是像往常一樣在所有隨機方向上移動怎么辦？這個問題好解決，可以在另一個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個方向的激光來減慢可能以這6個方向的任何組合移動的原子的運動速度。

那么，通過激光冷卻，可以達到多冷呢？科學家們曾經在實驗室將溫度降低到0.5nK，這幾乎達到了絕對零度（-273.15℃）。但是，由于海森堡的不確定性原理，我們永遠不會完全達到絕對零度，因為該原理表明我們永遠無法同時知道粒子的位置和動量。因此，我們永遠無法真正使原子的運動停下來。

對于通過激光冷卻所達到的非常低的溫度，如科學家們實現的將物體冷卻到幾乎接近絕對零度，都是通過對小物體進行制冷完成的。

那么，有什么理由要花費如此多功夫來用激光制冷呢？起初的原因是如果想要精確地測量各種原子參數，最好的辦法就是冷卻原子使它們老實下來，乖乖地讓我們操控觀察。而如今則又多了個理由：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。

激光冷卻的應用

激光制冷在人類科研領域大展身手，不僅幫助科學家們觀測相干的物質波波長，也為科學家們在精密測量、量子信息等領域打開了新的研究窗口。

這項技術比較接地氣的應用就是“時間”了。在以往，科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點，發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。而科學家在有了激光冷卻技術的加持后，可以將銫原子的運動速度降低，從而設計出冷原子鐘，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，它與環繞地球運行的北斗衛星一同合作，為我們提供精確到厘米級的導航定位。

當我們乘坐著由激光切割并焊接、靠北斗導航系統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。激光真的是科學家的好幫手，不僅很熱，還能很冷。

（據中國科學院“科學大院”微信公眾號）