题记： 今天看到 罗会仟介绍《自由落体在量子尺度下的检验》（http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-798005.html），就去看了看那篇文章，觉得有些意思。因为这个工作涉及到激光制冷，我就从文档里翻出了自己的一篇小文章，也许可以让访客笑笑。这是我去年为《物理教学》杂志写的小文章，现在应该是发表了。

补记：发表于《物理教学》2014年第10期，第2-3页。 2014/10/24    

说起制冷，大家都很熟悉，毕竟现在家家都有冰箱，人人都用空调；说起激光，我们也不陌生，即使没有用过激光打印机，总该听过激光唱片吧。可是要说起激光制冷，就有点让人糊涂了。怎么着？激光制冷？大冬天的我觉得冷了，可以到太阳底下晒晒，这我懂，万物生长靠太阳，光产生热嘛。可是大夏天的我觉得热了，想吃根冰棍，难道说拿杯水用手电筒照照它就冻成冰了吗？不是忽悠人吧？

您别着急，这还真不是忽悠您。激光真的能制冷，而且冷得温度低、冷得速度快，只是条件有些难，成本有点高，现在还只能在一些先进的实验室里实现。请您听我慢慢道来。

制冷很简单。人大多好逸恶劳，工作得累了，就不想动了；气体也是如此，对外做功会消耗它的能量，从而把温度降下来。不管是空调还是冰箱，它们的工作原理都是这样的：先用压缩机把工作介质（以前是氟利昂，现在为了保护大气层中的臭氧，都改用无氟的工作气体了）压缩，这样当然会对气体做功，使得气体温度升高了，但是没关系，因为可以在工作气体和外界环境之间建立起良好的热接触，把这些热量传递给外界，这样就得到了被压缩的工作气体；接下来，切断压缩气体与外界的热接触，让压缩气体突然膨胀，它就会对外做功，从而降低了自己的温度；然后，在降温后的工作气体与需要冷却的物体之间建立良好的热接触，物体的温度就下降了，同时气体的温度上升了；最后，断开工作气体与待冷却物体之间的热接触，再启动压缩机，开始新的一轮循环。如此周而复始，冰箱温度就降下来了，空调房间也变凉快了，当然你也要付出代价：压缩机变得很烫，另外你还要付电费---天下没有免费的午餐，制冷也是如此。

激光也不难。激光也是光，但它是一种非常特殊的光。它是单色光，强度很大、方向性很好，用专业术语来说，激光是相干性非常好的光。光，我们都非常熟悉，但是日常生活中的光，不管是“三光者，日月星”里的太阳光，还是“今夕复何夕，共此灯烛光”里的蜡烛光，它们都是非相干光。无论是相干光还是非相干光，它们都是因为能量高的原子在跳到低能量状态时发出了光子，只是它们在发射节奏上有巨大的差别：对于非相干光的光源来说，大量的原子都处于无政府状态，大家都自行其是，爱干什么就干什么，谁也管不着谁，这样一来，发出的光不仅波长（也就是能量）不同，方向性各异，而且位相也不一样，也就是说，干什么都踩不到同一个步点儿上，虽然看起来光彩夺目，但有时候就是干不成大事儿；相干光的光源则完全不同，它们认为“人心齐，泰山移”，坚信“加强纪律性，革命无不胜”，先是把设法把大家伙都聚集在准备发射的状态下（专业术语叫作“在系统中实现了粒子数反转”），然后一声令下“要有光”，大家就一起发光，所以，激光不仅波长单一、方向一致，就连步调都是一模一样的---都和触发激射的那个光子一样（这就是激光这个名字的来源，“受激辐射导致的光放大过程”）。两千多年前，当春秋战国时期的诸子百家们争论“性本善”还是“性本恶”的时候，有位告子先生就说了：“性犹湍水也。决诸东方则东流，决诸西方则西流。”没想到啊没想到，这个说法居然应验在两千年后的激光身上---激光就是这样一种随大流的家伙，只要有人带个头，大家就跟着跑。

可是，激光制冷就有些难了。但是，激光制冷难就难在具体的实验技术，它的工作原理还是很简单的。

还是从气体说起吧。气体是由大量的原子（或分子）构成的，每个原子都自由自在地东奔西走---实际上它们个个都是愣头青，不撞南墙不回头的主儿，直到与其它原子相遇才会因为碰撞而改变自己的运动方向。气体的温度就反映在这些原子的平均速度上，平均速度越快，气体的温度就越高，因此，冷却气体的过程就是设法降低原子平均速度的过程。但是，采用一般方法降温的时候，由于原子间有相互作用，当速度越来越慢的原子们碰到一起的时候，它们就舍不得离开了，彼此抱团取暖，就变成了液体、进而变成了固体。对于液体和固体的降温，我们现在并没有太好的办法，最低也只能降低到1mK左右，也就是绝对零度以上千分之一度的水平，而绝对零度指的是所有的粒子全都一动不动的理想状态（让我们暂时忘掉量子力学吧），这听起来是很低的温度，但是，科学家们总是得陇望蜀，总是希望能够得到更低的温度，比如说，万分之一度，甚至百万分之一度。怎么办？

怎么办？简单极了---分而治之就可以了。把原子气体放在非常稀薄的真空里，原子气体的密度大大降低，原子之间的距离非常远，原子的数目非常少，这样它们就再也见不了面了。然后再一个一个地把它们的速度降下来，整个系统也就冷下来了。可是，怎么把单个原子冷下来呢？对了，您猜对了，我们用激光，这就是激光冷却。

原子并不是个实心球，它有内部结构，是由原子核和核外电子构成的，它有内部的自由度。原子既可以吸收光，也可以发射光，这两种过程分别对应着原子里的电子跳到更高的能量状态里（吸收能量）或者从更高的能量状态里跳下来（放出能量）。对于特定的原子来说，它只能够吸收和发射特定波长的光（为了便于陈述，我们把相应光子的能量称为E₀），如果光子的能量与E₀相差不远，也能凑合着对付过去，如果差的太远，那也就爱莫能助了---简单吧，可是激光制冷靠的就是这么简单的一件事。现在考虑一个原子，它正头脑发热，像一匹脱缰野马一样在一望无际的大草原上奔驰，对不起，错了，在空无一物的真空里奔跑，我们怎么把它的速度降下来？对了，用激光迎着它照过去。窍门在于，激光光子的能量要比E₀小一点，原子要想吸收这个光子，就要给些好处，赔上一点自己的动能，把这个差价补齐了。更专业一点的说法是，迎着光前进的原子看到光的频率增大了（多普勒效应，类似于声学中的多普勒效应：迎面驰来的火车的啸声要尖锐些，而远离的啸声则要舒缓些），就可以满足吸收所需要的能量条件了。当然，吸收了光子以后，原子的总能量变大了，它也不能总在那里挺着啊，早晚还要发出光子、重新回到低能量的状态，那么是不是就得而复失、一切都白干了呢？不是的。原因在于，吸收和发射的过程并不完全一样：吸收的光子来自于一个固定的方向，而发射的光子则跑向四面八方（用专业术语来说，发射过程中仍然是自发辐射过程为主），平均下来，经过一次吸收-发射过程，原子就要损失掉一点速度，经过很多次以后，原子速度就降为零了。当然，原子的运动方向可不止一个，必须把所有三个方向的速度都减小，才能把原子的温度降下来。解决的办法就是采用六束激光，彼此垂直、两两相对地照射在一个很小的区域上，从前后、左右、上下所有方向彻底封住原子的去路，把它们来一个逮一个、来两个逮一双，形成一个温度很低、原子数目很多的“光学黏团”（这个名字的来历是，光学方法冷却的原子在那里晃晃悠悠地踱来踱去，就像一团粘糊糊的糨糊似的）。温度有多低呢？绝对零度以上万分之一度，采用更先进些的措施还可以达到更低的温度，百万分之一度或更低的温度。数目有多大呢？成千上万，甚至几百万个---听起来挺可怕的，但是要记住，我们现在谈论的是原子，几百万个原子可真算不上很多，还够不上塞牙缝呢。冷却的速度多快呢？这个可真快，只用一眨眼的时间，绝对不到一秒钟的工夫，小火炉变冰棍，原子一下子就从室温左右降低到宇宙中前所未有的低温了。

神奇啊，激光制冷可真棒啊，可是它有什么用吗？当然很有用了。你想想，几百万个原子乖乖地呆在那里，个个都懒洋洋的不动弹，你想怎么修理它们就怎么修理，那么就可以干很多事情了。举个简单的例子吧，利用激光制冷的原子，可以做成最准确的时钟，相对误差只有10^-17的时钟，也就是说，如果用这块表从宇宙诞生的那一刻（记得吧？宇宙大爆炸：砰的一声巨响，宇宙就诞生了！）开始计时，那么到现在的误差也不过只有几秒钟而已。利用这么精准的时钟，我们甚至可以检验物理规律是否随着宇宙的演化而发生变化；至于日常生活中的计时、点卯，北斗系统的定位、寻人，更是个个都离不开精准的时钟。

原子的激光制冷相对比较简单，分子就比较难一些，液体和固体就更难了，因为后者的组分之间有着很强的相互作用。现在，人们还只能利用激光冷却技术冷却一些原子啦、分子啦，最多也不过冷却一个几十微米大的小镜子（已经很了不起了，大约包含了10¹⁴个原子，彼此之间的相互作用还很强）。有些科学家正在研究用激光来冷却大块材料的方法。也许将来会有一天，当你觉得天气太热的时候，只要跑到太阳下面晒一晒，就会冷静下来了--- 咦，这话怎么听起来这么怪呢？也许我被太阳晒糊涂了。还是先去吃根冰棍，以后再聊吧。

[1]王义遒，激光致冷和冷原子的应用[J]. 物理教学2009(1):2

补记：参考文献是《物理教学》编辑帮助添加的。实际上我读过王老师的书《原子的激光冷却与陷俘》，写得非常好，讲得很清楚。