什么叫激光冷却以及激光冷却的应用？

激光冷却是一种利用激光将物体冷却到接近绝对零度（-273.15°C）的方法。在这个过程中，激光束被用作冷却源，通过与物体相互作用，将物体表面的热量吸收并传递到激光束中，从而实现对物体的降温。激光制冷在人类科研领域大展身手，不仅帮助科学家们观测相干的物质波波长，也为科学家们在精密测量、量子信息等领域打开了新的研究窗口。

这项技术比较接地气的应用就是“时间”了。在以往，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出比晶体钟更高精度的原子钟，它的精度误差达到了1秒/300万年。而科学家在有了激光冷却技术的加持后，可以将铯原子的运动速度降低，从而设计出冷原子钟，它的精度误差可以减小到1秒/3亿年。我国的天宫二号搭载的全球首台空间冷原子钟是世界上计时最精确的时钟，它与环绕地球运行的北斗卫星一同合作，为我们提供精确到厘米级的导航定位。

当我们乘坐着由激光切割并焊接，靠北斗导航系统带路的飞机和汽车畅行于世界各地时，不要忘记这背后离不开激光的功劳。

激光冷却是一种利用激光与原子相互作用来降低原子速度，从而实现超低温的技术。其基本原理包括以下几个关键概念：

1. **多普勒效应**：当原子朝着或远离激光束运动时，由于多普勒效应，原子感受到的激光频率会发生变化。如果激光的频率略高于原子在静止状态下能吸收的特定频率（即共振频率），那么朝向激光束运动的原子会看到一个蓝移的光谱，因此更容易吸收光子；相反，背离激光束运动的原子看到的是红移光谱，不易吸收。

2. **反冲效应**：原子吸收光子后，根据动量守恒定律，会获得与光子动量相反的动量，导致原子减速。之后，原子通过自发辐射过程释放光子，并随机方向上重新获得动能，但由于在稀薄气体中，这个释放的光子几乎不会立即被其他原子再次吸收，所以整体上原子系统的平均速度下降，温度也随之降低。

3. **多方向激光照射**：为了更有效地冷却，通常采用多束激光从不同方向照射原子云，这样无论原子朝哪个方向运动，总有一束或多束激光可以对其施加减速度的作用。

4. **捕获和囚禁**：除了冷却外，科学家还利用磁场和光学势阱进一步将慢速原子捕获并囚禁在一个有限空间内，形成所谓的“磁光陷阱”或“光晶格”，以维持稳定的超冷原子气体。

通过激光冷却技术，可以实现接近绝对零度（-273.15°C）的超低温环境，这对于高精度物理测量、量子信息处理、玻色-爱因斯坦凝聚等领域的研究具有重要意义。

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！