不過今天的主題不是歌頌激光應(yīng)用在空調(diào)上的技術(shù)，而是聊聊科學(xué)家們最關(guān)心的激光降溫。
提到激光，我們首先想到的是光盤光驅(qū)、激光筆、商品條形碼、激光筆等生活應(yīng)用。大家一向認(rèn)為激光具有很高的能量，激光往往是灼熱和明亮的代言詞：激光筆有可能傷到眼睛；在皮膚醫(yī)院里，激光被用來“燒”掉人們身上的紋身；在工廠生產(chǎn)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？激光冷卻固體有個(gè)炫酷的別稱是“光學(xué)冰箱”，在1929年由德國物理學(xué)家彼得·普林斯海姆提出。通過利用激光冷卻技術(shù)，科學(xué)家們能夠獲得僅僅比絕對零度高出不到千分之一度的低溫，超級厲害！
什么叫做絕對零度呢？
我們知道，日常生活中經(jīng)常需要用到降溫手段，在工業(yè)生產(chǎn)里面，降溫更是至關(guān)重要。常用的空調(diào)或者冰箱并不能夠?qū)囟雀淖兲啵疃嘁簿湍軌蜻_(dá)到零下幾十?dāng)z氏度的樣子。
然而，在很多科學(xué)研究工作中，科學(xué)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(dǎo)體，就往往需要在接近絕對零度的溫度下進(jìn)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(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)保持在那么低的溫度，或者通過和稀釋制冷機(jī)相接觸來獲得僅僅比絕對零度高幾個(gè)毫K（千分之一度）的溫度。
更進(jìn)一步，在關(guān)于冷原子氣體的研究中，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(xué)的朱棣文教授（現(xiàn)任美國能源部部長）等人首先利用激光冷卻技術(shù)將鈉的原子氣體冷卻到了240微開爾文的溫度（僅比絕對零度高出一百萬分之二百四十度）。
所以，激光在降溫上是不是幫了科學(xué)家一個(gè)大忙呢？必須點(diǎn)贊！
看到這里，也許有人不服氣
到底激光是利用什么原理降溫呢?
首先，大家可以想象一個(gè)戰(zhàn)爭的場面。失控的戰(zhàn)車沖向戰(zhàn)壕，戰(zhàn)壕里的戰(zhàn)士向戰(zhàn)車不斷開槍，子彈擊中戰(zhàn)車并彈向四面八方。如果仔細(xì)看戰(zhàn)車的速度，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)由于子彈的撞擊，戰(zhàn)車的速度會(huì)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(fā)出的光子就像子彈一樣，如果光子在鈉原子上發(fā)生“散射”，那么向右運(yùn)動(dòng)的鈉原子在激光的作用下速度會(huì)越來越慢。“散射”是指光子將鈉原子的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，電子躍遷回來時(shí)會(huì)放出一個(gè)方向不確定的光子。在一段時(shí)間內(nèi)，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(huì)被光束減速。這樣，原子的動(dòng)能有個(gè)和光子的能量相關(guān)的不確定性，也給出激光冷卻能夠得到的最低溫度。
我們所說的溫度，在物理學(xué)家看來，其實(shí)描述了構(gòu)成物體的那些微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。粒子運(yùn)動(dòng)的平均速度越大，物體溫度就越高，越小則溫度越低。
你也許會(huì)問，怎么這么巧，納原子剛好向著激光的方向運(yùn)動(dòng)，它不應(yīng)該是四面八方的嗎？惹不起，還躲不起嗎？
高壓鈉燈的發(fā)射譜線
沒錯(cuò)！為了冷卻所有的原子，我們需要控制原子速度。如向著激光運(yùn)動(dòng)的原子，我們希望能減慢他們的速度，對于遠(yuǎn)離激光運(yùn)動(dòng)的原子，我們卻不希望把它們推得越來越快。
激光冷卻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，還得感謝多普勒效應(yīng)的存在。光波和聲波都是波動(dòng)，當(dāng)物體相對于波動(dòng)的源頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它感受到的波長和頻率都會(huì)發(fā)生變化。比如向著我們運(yùn)動(dòng)的火車發(fā)出的鳴笛，聽起來要比遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的火車聲調(diào)要高一些。同樣道理，遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的恒星發(fā)出的光，在我們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(cè)，這樣可以實(shí)現(xiàn)原子的減速。這樣，只要我們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(cè)，由于多普勒效應(yīng)，向著激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長會(huì)顯得短一些（藍(lán)移），因此作用強(qiáng)烈；而背離激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長會(huì)更長一些（紅移），因此不會(huì)受到作用。這樣，如果在前后左右上下六個(gè)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(xué)家們可以將原子氣體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(gè)明白。其實(shí)激光冷卻超冷原子不僅在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有重要學(xué)術(shù)價(jià)值，而且在高科技中也具有重大的應(yīng)用前景，如圖：
激光冷卻和捕陷氣體原子研究已發(fā)展了30年，在各國實(shí)驗(yàn)室中激光冷卻和捕陷氣體原子已成為獲得超冷原子的典型方法和技術(shù)。不過，新的激光冷卻機(jī)制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特別是微結(jié)構(gòu)勢阱中的激光冷卻和囚禁氣體原子(分子)技術(shù)的研究仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)課題。
所以，科學(xué)家們加油喔！
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