不過今天的主題不是歌頌激光應用在空調上的技術，而是聊聊科學家們(men) 最關(guan) 心的激光降溫。

提到激光，我們(men) 首先想到的是光盤光驅、激光筆、商品條形碼、激光筆等生活應用。大家一向認為(wei) 激光具有很高的能量，激光往往是灼熱和明亮的代言詞：激光筆有可能傷(shang) 到眼睛；在皮膚醫院裏，激光被用來“燒”掉人們(men) 身上的紋身；在工廠生產(chan) 中，激光能夠用來切割金屬。

那激光能用來降溫嗎？

答案是：能！

知道嗎？激光冷卻固體(ti) 有個(ge) 炫酷的別稱是“光學冰箱”，在1929年由德國物理學家彼得·普林斯海姆提出。通過利用激光冷卻技術，科學家們(men) 能夠獲得僅(jin) 僅(jin) 比絕對零度高出不到千分之一度的低溫，超級厲害！

什麽(me) 叫做絕對零度呢？

我們(men) 知道，日常生活中經常需要用到降溫手段，在工業(ye) 生產(chan) 裏麵，降溫更是至關(guan) 重要。常用的空調或者冰箱並不能夠將溫度改變太多，最多也就能夠達到零下幾十攝氏度的樣子。

　　然而，在很多科學研究工作中，科學家需要非常低的溫度，需要更多不同的降溫措施。比如說研究超導體(ti) ，就往往需要在接近絕對零度的溫度下進行測量和研究。這些一般是通過和液氮（77K，零下196攝氏度）或者液氦（4.2K，約零下269攝氏度）相接觸來將實驗的係統保持在那麽(me) 低的溫度，或者通過和稀釋製冷機相接觸來獲得僅(jin) 僅(jin) 比絕對零度高幾個(ge) 毫K（千分之一度）的溫度。

更進一步，在關(guan) 於(yu) 冷原子氣體(ti) 的研究中，需要用非直接接觸的方法獲得比這些還要更接近絕對零度的溫度。

1985年，美國斯坦福大學的朱棣文教授（現任美國能源部部長）等人首先利用激光冷卻技術將鈉的原子氣體(ti) 冷卻到了240微開爾文的溫度（僅(jin) 比絕對零度高出一百萬(wan) 分之二百四十度）。

所以，激光在降溫上是不是幫了科學家一個(ge) 大忙呢？必須點讚！

看到這裏，也許有人不服氣

到底激光是利用什麽(me) 原理降溫呢?

首先，大家可以想象一個(ge) 戰爭(zheng) 的場麵。失控的戰車衝(chong) 向戰壕，戰壕裏的戰士向戰車不斷開槍，子彈擊中戰車並彈向四麵八方。如果仔細看戰車的速度，我們(men) 會(hui) 發現由於(yu) 子彈的撞擊，戰車的速度會(hui) 越來越小，激光冷卻原子便是相似的過程。

如下圖顯示，激光器發出的光子就像子彈一樣，如果光子在鈉原子上發生“散射”，那麽(me) 向右運動的鈉原子在激光的作用下速度會(hui) 越來越慢。“散射”是指光子將鈉原子的電子激發到激發態，電子躍遷回來時會(hui) 放出一個(ge) 方向不確定的光子。在一段時間內(nei) ，鈉原子吸收的光子有特定方向，而放出的卻沒有，所以原子會(hui) 被光束減速。這樣，原子的動能有個(ge) 和光子的能量相關(guan) 的不確定性，也給出激光冷卻能夠得到的最低溫度。

　我們(men) 所說的溫度，在物理學家看來，其實描述了構成物體(ti) 的那些微觀粒子的運動狀態。粒子運動的平均速度越大，物體(ti) 溫度就越高，越小則溫度越低。

　　你也許會(hui) 問，怎麽(me) 這麽(me) 巧，納原子剛好向著激光的方向運動，它不應該是四麵八方的嗎？惹不起，還躲不起嗎？

高壓鈉燈的發射譜線

沒錯！為(wei) 了冷卻所有的原子，我們(men) 需要控製原子速度。如向著激光運動的原子，我們(men) 希望能減慢他們(men) 的速度，對於(yu) 遠離激光運動的原子，我們(men) 卻不希望把它們(men) 推得越來越快。

激光冷卻技術的實現，還得感謝多普勒效應的存在。光波和聲波都是波動，當物體(ti) 相對於(yu) 波動的源頭運動的時候，它感受到的波長和頻率都會(hui) 發生變化。比如向著我們(men) 運動的火車發出的鳴笛，聽起來要比遠離我們(men) 運動的火車聲調要高一些。同樣道理，遠離我們(men) 運動的恒星發出的光，在我們(men) 看來要顯得波長更長、頻率更低一些。

激光冷卻原子的示意圖

選擇激光的波長在原子譜線偏紅（波長偏長）的一側(ce) ，這樣可以實現原子的減速。這樣，隻要我們(men) 將激光的波長選擇在原子譜線略微比中心位置的波長大一些的一側(ce) ，由於(yu) 多普勒效應，向著激光運動的原子感受到的波長會(hui) 顯得短一些（藍移），因此作用強烈；而背離激光運動的原子感受到的波長會(hui) 更長一些（紅移），因此不會(hui) 受到作用。這樣，如果在前後左右上下六個(ge) 方向都有一束激光的話，就可以把原子的速度降低下來。

通過這種方法，科學家們(men) 可以將原子氣體(ti) 的溫度降低到絕對零度之上不到千分之一度的低溫。

今天大致將激光降溫講個(ge) 明白。其實激光冷卻超冷原子不僅(jin) 在科學實驗中有重要學術價(jia) 值，而且在高科技中也具有重大的應用前景，如圖：

激光冷卻和捕陷氣體(ti) 原子研究已發展了30年，在各國實驗室中激光冷卻和捕陷氣體(ti) 原子已成為(wei) 獲得超冷原子的典型方法和技術。不過，新的激光冷卻機製和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特別是微結構勢阱中的激光冷卻和囚禁氣體(ti) 原子(分子)技術的研究仍是當前研究的重點課題。

所以，科學家們(men) 加油喔！