激光那么“热”，为什么可以用来冷却原子？

在世人的眼中，激光是一种能量很强的光，它有热效应，强激光能击穿金属，可以充当武器。但是，现在却有激光冷却，能把原子的温度冷却到只比绝对零度高那么一点点儿。这是怎么做到的呢？

热的本质

激光冷却不难理解，但在彻底理解它之前，我们还需要再了解一些东西。热大家都知道，但是热的本质，我们还需要再回顾一下。

“今天气温有多高？”“水有多冰凉？”等等诸如这些句子是我们日常聊“热”的一种方式。

日常不代表本质，如果以上问题要问得更物理一些，其实我们应该这样来问，即像这样“今天的大气分子运动速度有多快？”“水分子运动速度是多少？”

是的，热就是物体中微观粒子运动速度快慢的表现。拿水来说就是这样：若水分子运动得慢，水的温度就低，若更慢，水分子就不到处乱跑了，而是原地踏步，于是，水就成了冰；相反，若水分子运动剧烈，则水就开始沸腾、蒸发，变成气体飞到空中……

热的本质，现在看来很简单，但是直到1745年，一个叫罗蒙诺索夫的俄罗斯科学家才真正道出，他说：热是物质内部分子运动的表现！

而在之前，热的本质几乎是一个未解之谜。那时候，如果你问，为什么有的东西热，有的东西冷？人们会毫不犹豫地告诉你，那是因为热的东西有热素，冷的东西有冷素。

如何冷却

回顾了一遍热的成因后，我们就能继续下一步了，如何有效地冷却？很简单，把微观粒子的运动速度降下来。生活中，降温的方法很多很多，然而，要想得到全宇宙最低的温度，就必须使用激光！

正常的室温条件下，空气中大气分子的运动速度高达每秒几百米，这跟某些枪的初速差不多。即使温度低到零下270℃，也会有一部分微观粒子的速度达到每秒几十米。因此，要让分子原子的运动速度大大降低，着实不是一件容易的事。

原子、分子那么小，你要让它们的速度降下来，不可能用一些粗暴的办法，因为它们太小了，一个好办法是，用一些更小的粒子去“撞击”它们，抵消它们的速度，这就类似于，一辆迎面而来的小车，它处在自由滑行的状态，为了降低它的速度，你可以不断地向它扔石头，每砸一次，小车的速度降低一些，直到降低到我们想要的速度。

那么，用什么来“撞击”分子或者原子呢？最适合的莫过于光子了。我们都知道，光子会产生一种压力，这就是光压。科幻中或者设想中的太阳帆就是利用无数的光子作为推力的。

说到这里，肯定有人马上生出疑问：说得轻巧，但是你知道吗？分子的运动是无规则的，有的迎面向你运动，这好办，有的却是同向运动，你把光子扔过去，遇到迎面的分子，这自然能降低它们的速度，但是，如果分子的运动方向跟光子相同，你岂不是又增加了分子的运动速度？这么一搞下来，等于是做无用功。

这个疑问非常有道理，这也是无数人在理解激光冷却时必然会遇到的一个问题。

要度过这道坎，咱们得从原子的能级说起。

原子的能级

原子就是原子核加上原子核外面的众多电子。而电子在原子核外面的排布是分极的。举个不准确但是非常形象的比喻就是，原子核就是太阳，电子就是行星。

跟太阳系所不同的是，电子只能从这个轨道跃迁到另一个轨道，绝不会待在两个轨道之间的某一个位置。也就是说，如果地球是一个电子，那么，它要么获得能量后，跃迁到火星的轨道，或者失去能量，降到金星的轨道，决不能处在地球轨道和火星轨道的中间。

就像一栋电梯楼，有的电子处在第一层，它的能量最低，此时我们称为基态，有的电子处在第二层，有的处在第三层……显然，电子要想从第1层跃迁到第2层时必须要获得能量：比如捕获某个光子，这个光子的能量恰好等于第1层和第2层之间的能量差。

而电子从第3层跃迁到第2层时，显然电子的能量值就降低了，但是能量不能凭空消失，所以，电子减少的那一部分能量会作为一个光子发射出去，而这个光子的能量恰好等于第3层和第2层之间的能量差。

从以上我们看出来了，原子要想吸收光子的话，这个光子的能量是电子不同能级的能量差。也就是说，原子不可能吸收一个光子后，核外的电子从第2层跃迁到了第2.7层，这是不可能发生的。

明白了这点，我们就能知道如何让原子减速了。

多普勒效应

上文中，咱们已经知道，朝原子发射光子，就能让迎面而来的原子速度降低，然而，难点是，原子的运动方向如果跟光子相同，就会加快原子的运动速度。

不过，在回顾了上文中原子的能级后，我们已经明白：不是所有的光子，原子都能吸收！

既然这样，可不可以让迎面而来的原子吸收我们发射的光子，而同向而去的原子不吸收？当然可以了，根据什么呢？多普勒效应。

我们知道，迎面而来的火车，其声尖锐，因为火车发出的声波跟火车一个方向，声波被“挤压”，频率升高了；同理，逐渐远去的火车，其声音的音调变低，因为声波被“拉伸”，频率降低。

光既是粒子也是电磁波，如果光是迎面而来，那么被压缩，光的频率就会升高，如果光是远离而去，光的频率就会降低。

频率决定了光的能量，比如紫外线的频率比红光的高，所以紫外线能量能红光的高。而刚才我们说了，原子只能吸收固定的能量，换句话说，原子只能吸收某种频率的光子，这个频率就是原子的固有频率。

接下来，就好办了。当我们要想冷却某种原子的时候，发射一束频率比该原子固有频率稍低的光子，此时，对于迎面而来的原子来说，这束光子的频率会升高，高到恰好等于该原子的固有频率，于是被吸收，然后被减速。而对于运动同向的原子呢，这束光的频率会降低，就不能吸收了。

这，就是激光冷却原子的原理！

作者：寒木钓萌

来源：知道日报

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