藏在冷原子世界里的温柔
作者：徐琴芳（中国科学院国家授时中心）
原子，最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念。作为一种微观粒子存在，原子既看不见也摸不着，这就给它们带来了一丝神秘感和距离感。
随着人类认识的进步，原子从抽象的概念逐渐成为科学的理论。
原子由一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子组成。电子绕原子核运动，释放能量，使整个原子与外界形成一个整体，不断与外界形成能量交换，使整个原子处于运动状态，运动的原子是热血的原子。
模拟电子绕核运动
在我们身边，有这么一群原子，它们表面很冷，但其内心绝对温柔，它们被称作冷原子。
在说冷原子之前，我们先来了解下与冷原子里的冷对应的热是什么？热的本质是什么？进一步了解什么样的原子才称得上冷原子？冷原子是如何实现的？
热的概念大家都熟知，比如刚过去的酷暑，陕西的持续一个月的高温，真是快热化了，但这个意义上的热是我们日常谈论的“热”的一种方式，这样的日常并不能表达出热的真谛，热的本质，换句话说，这里我们需要科学的物理的来理解“热”。
1745年，俄罗斯科学家罗蒙诺索夫道出了热的本质：热是运动的现象，即热是物体中微观粒子运动速度快慢的表现！
经典热力学告诉我们，物体的温度与原子运动速度之间有一个简单的关系，即温度正比于速度的平方。
我们这里所说的冷原子，是热力学上的概念。
俄罗斯科学家罗蒙诺索夫
通常情况下，冷与热总是相对的，什么样的原子才能称得上冷原子呢？
最粗糙的要求是-273℃，如果用绝对温度来表示的话，一般要求是几个毫开尔文量级，再高端一点的就是微开尔文甚至更冷。
冷原子的运动速度很慢，具有更稳定、更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱，因此相比热原子具有更为明确的量子态。
目前，国际上利用冷原子制造的最精确的原子钟——锶原子光晶格钟，160亿年才误差1秒。
生活中我们冷却物体的常用办法是冰箱，那是不是可以把原子放入冰箱冷冻得到冷原子了呢？
当然没那么简单。
我们知道，家用冰箱能达到的最好制冷效果是-20℃，看来用冰箱来给原子降温是行不通了。
那需要借助什么特殊的手段才能制备冷原子呢？物理学家朱棣文、柯亨-达诺基、菲利普斯为我们揭晓了答案。
他们开创了用激光把气体冷却到微开温度范围的方法，即激光冷却原子，并且把冷却了的原子陷俘或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中，他们也因此获得了1997年诺贝尔物理学奖。
激光是如何实现原子冷却的？我们举一个生动简单的例子来说明。
我们知道光既具有波动特性，又具有粒子特性，即光的波粒二象性。
因此在激光冷却原子的过程中，我们就是把激光看成是一束粒子流，这种粒子叫光子。
现在开始构想一个场景，你站在空旷的马路上，迎面有一辆自由滑行的小车（忽略摩擦力），为了降低小车的速度，你可以不断地向小车扔石头，小车收到小石头后，会随机的把石头向四面八方丢出去，考虑总体效果，小车收到许许多多扔过去的小石头后，速度就逐渐减慢了。
激光冷却原子可以看作是用光子去“撞击”原子，抵消原子的速度。当然，激光冷却实质上是一个较为复杂的物理过程，科学家们称其为多普勒冷却。
激光冷却原子技术的出现，实现了长久以来人类在微观尺度上操纵和控制原子的梦想，使得微观世界里的原子离我们更近了。
接下来跟随我们的镜头，去观察和感受藏在微观冷原子世界里的温柔吧！
聚焦“原”心
上图呈现的，是锶原子蒸气在500摄氏度的高温作用下，经过激光减速和冷却，在磁光阱中被俘获住的情景。整个过程是在一个高真空的腔体中完成的。
照片中借助腔体窗口对激光的反射，形成一个一个的同心圆环，此时将冷原子团聚焦在圆心上，在图最中心的亮斑就是冷原子团。
原子心
这一图片展现的是在激光与磁场共同作用下被陷俘和冷却的锶原子。此时我们利用一束激光去操控原子团，原子团呈现出了一个心形。
其实，原子团不光可以形成心形，当锶原子经过激光冷却，在磁光阱中被俘获，此时改变冷却激光相对于原子的共振频率的频率偏移量（失谐），原子团就会呈现出不同的形状，下图中，冷却激光较原子共振频率失谐较大，原子在重力的作用下沉在底部，呈现出月牙状，像极了一轮新月。
新月
接着，我们继续改变冷却光的失谐，在激光频率靠近原子共振频率的时候，新月变成了满月（下图），是不是有一种皓月当空的感觉？这图景不禁让人想起了唐代李朴的诗“皓魄当空宝镜升，云间仙籁寂无声，平分秋色一轮满，长班云衢千里明”。
满月
宇宙演化展现着宏大浩瀚的科学之美，原子以其细微精妙展现微观世界的科学之美。
硬科学里也藏着柔软的部分，那些柔软的部分在带给我们视觉上的无限惊喜的同时，也让我们体会到严谨科学研究中蕴藏着的无限乐趣！
编后：
说到冷原子，就不得不提到“天宫二号”上搭载的空间冷原子钟，这是一台什么钟？它和地面上的钟有何不同？对我们的生活会带来什么影响？感兴趣的可以点这里了解更多：超高精度空间冷原子钟
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