激光一定是火熱的嗎？人家制冷時(shí)超cool

作者：李威（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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還記得《星球大戰(zhàn)》里的激光槍和能夠摧毀整個(gè)星球的死星超級(jí)激光炮么？還記得《星際迷航》里能讓敵人瞬間蒸發(fā)的相位武器么？還有那位超人，天生擁有一雙令反派望而生畏的激光眼。

圖1《星球大戰(zhàn)原力覺醒》海報(bào)中出現(xiàn)的激光武器

圖2 擁有激光眼的超人（圖片來源：果殼網(wǎng)）

激光在這些作品中常常作為一種威力巨大的超級(jí)武器出現(xiàn)，它們幾乎都發(fā)揮同一個(gè)作用，那就是給物體加熱。可是，激光究竟是個(gè)什么東西？和普通的光有什么不一樣？激光只能用來加熱東西嗎？跟隨大院er做一名“追光者”，看看激光世界的無窮秘密吧~

鐳射？激光？究竟是個(gè)啥？

我們?cè)谏钪胁粌H會(huì)聽到激光這個(gè)詞，有時(shí)候還會(huì)聽到鐳射，那它倆究竟是啥？它們之間又有啥區(qū)別呢？

不了解的朋友可能會(huì)從字面意義上將“鐳射”理解為鐳所放出來的射線，從而產(chǎn)生“鐳射”會(huì)損害人們健康的誤解。其實(shí)，鐳射和鐳可沒有一丁點(diǎn)關(guān)系，它是英文單詞LASER的音譯，LASER這個(gè)詞取自于英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母，意思是“受激輻射的光放大”。

那么什么是“受激輻射”？它基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1917年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，在港澳臺(tái)地區(qū)，人們通常將受激發(fā)射的光稱作鐳射，而我們則按照錢學(xué)森先生的建議將其稱作激光，這是更合適的翻譯。所以，鐳射和激光就是同一個(gè)東西。（想了解更多激光的秘密，請(qǐng)戳：院士跟你聊聊，激光的昨天，今天和明天）

受到一些科幻電影的影響，我們都知道激光是一種能量很強(qiáng)的光，它具有熱效應(yīng)，300mW的普通激光筆可以近距離點(diǎn)燃紙張。醫(yī)院里使用激光脫毛祛斑，甚至用激光焊接視網(wǎng)膜。工業(yè)上使用的強(qiáng)激光可以擊穿堅(jiān)硬的鋼板，連世界上最硬的物質(zhì)——鉆石，都可以使用激光來切割打磨。

圖3 激光切割機(jī)正在切割鋼板（圖片來源：veer圖庫）

激光的這個(gè)特性被科學(xué)家們用來研究核聚變，科學(xué)家們使用多束強(qiáng)激光同時(shí)射向一個(gè)充滿氘和氚的燃料芯，在這么多束激光的作用下，燃料芯的溫度可以超過一億攝氏度，這比太陽中心溫度還高五六倍，這是世界上人類制造的最高的溫度，燃料芯受到的壓力則是地球大氣層壓力的1000億倍，于是燃料芯被點(diǎn)燃，氘和氚發(fā)生核聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量。

我們可以看到，以上的應(yīng)用都是利用了激光的亮度高，能量高度集中的特性?？墒悄阒绬?，這么“熱”的激光，還可以將原子冷卻到極低的溫度。這聽起來多么的不可思議，簡直違反我們的直覺。

“凍住”原子，激光有妙招

好的，在我們解釋激光冷卻的原理之前，我們首先需要知道“熱”意味著什么？

想象一下，當(dāng)我們正在浴室里拿著花灑舒服的沖著熱水澡時(shí)，“啪嗒”一聲，浴室頂?shù)囊活w冰涼水珠受不了地球重力的影響滴在你身上，狠狠地刺激了你一下，你不禁疑惑，為什么同樣是水，這些水珠卻不如花灑噴出來的水熱，“熱”本質(zhì)上究竟是什么呢？這個(gè)問題困擾了人類許久，在公元18世紀(jì)，一個(gè)叫羅蒙諾索夫的科學(xué)家終于給出了答案：熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)！所以，我們可以認(rèn)為：花灑噴出的熱水的水分子運(yùn)動(dòng)的速度比浴室頂小水珠中的水分子的運(yùn)動(dòng)速度要快。

圖4 浴室的水珠（圖片來源：veer圖庫）

理解了物體“熱”的本質(zhì)之后，我們也就知道了如何“冷卻”的方法，我們只要將物體內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)速度降下來，就可以達(dá)到我們的目標(biāo)了。

實(shí)際上，原子和分子每時(shí)每刻都在隨機(jī)高速運(yùn)動(dòng)著，而我們希望它們可以減減速，這很容易，既然它們不會(huì)“剎車”，那我們幫它們“剎”，我們只需對(duì)它們施加一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的力就可以了。可它們太小了，小到我們不能用手指抓住它們并放慢它們的速度，所以我們需要找到一雙“小手”幫助我們實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望。

那誰的“小手”可以幫助我們呢？

科學(xué)家們想到了“光”。咦？這想法好像行不通啊，因?yàn)榭茖W(xué)家似乎在往系統(tǒng)里添加能量以嘗試減少系統(tǒng)的能量，就好像試圖用噴火器吹滅蠟燭，這么做有用嗎？

圖5 噴火器吹蠟燭（圖片來源：作者自制）

當(dāng)然有用了，因?yàn)楣夂芴厥?，它雖然沒有質(zhì)量（光子的靜止質(zhì)量為零），但具有動(dòng)量。大量光子照射在物體上，會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生一種壓力，這個(gè)壓力被稱作光壓，這是光子把動(dòng)量傳給物體的結(jié)果。太陽帆就是利用光壓作為推力的，彗星的尾巴總是背著太陽也是受到了太陽光壓的作用。

所以利用光子的光壓來使不斷運(yùn)動(dòng)的原子減速是一個(gè)可行的方法。如果有一個(gè)原子正在向一個(gè)方向移動(dòng)，迎面撞上了反方向移動(dòng)的光子，那么光子動(dòng)量就會(huì)轉(zhuǎn)移到原子上，原子的運(yùn)動(dòng)速度就變慢了，這就是激光冷卻的關(guān)鍵。

我們到這里可能又會(huì)有疑問產(chǎn)生，一旦原子放慢了速度，豈不是會(huì)繼續(xù)受到更多光子的撞擊并朝相反方向加速嗎？而且原子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，如果原子和光子的運(yùn)動(dòng)方向相同，那豈不是原子運(yùn)動(dòng)的更快了？

這個(gè)疑問非常有道理。

實(shí)際上，因?yàn)樵觾H吸收特定波長的光，所以科學(xué)家會(huì)確保將激光波長調(diào)整為剛好大于靜止時(shí)原子的吸收波長。這樣，根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)原子向光子移動(dòng)時(shí)，光的波長會(huì)被壓縮，當(dāng)光的波長被壓縮到恰好等于該原子的吸收波長時(shí)，原子就會(huì)吸收光子，原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，原子的運(yùn)動(dòng)速度減慢，動(dòng)能減??；而當(dāng)原子停止或沿著光子同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子就不會(huì)吸收光子了。

圖6 多普勒冷卻一維示意（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

那如果原子總是像往常一樣在所有隨機(jī)方向上移動(dòng)怎么辦？

這個(gè)問題好解決，我們可以在另一個(gè)方向上添加更多的激光器。如果我們?cè)谠禹敳亢偷撞?，正面和背面也添加激光器或鏡子，這樣我們就有六個(gè)方向的激光來減慢可能以這六個(gè)方向的任何組合移動(dòng)的原子。

圖7 六個(gè)方向的激光用來冷卻原子（圖片來源：圖片來源：https://www.newelectronics.co.uk/）

那么通過激光冷卻，我們可以達(dá)到多冷呢？

好吧，科學(xué)家們?cè)?jīng)在實(shí)驗(yàn)室將溫度降低到0.5nK，這幾乎達(dá)到了絕對(duì)零度（-273.15℃）。但是，由于海森堡的不確定性原理，我們永遠(yuǎn)不會(huì)完全達(dá)到絕對(duì)零度，因?yàn)樵撛肀砻魑覀冇肋h(yuǎn)無法同時(shí)知道粒子的位置和動(dòng)量。因此，我們永遠(yuǎn)無法真正將原子的運(yùn)動(dòng)停下來。

對(duì)于我們通過激光冷卻所達(dá)到的非常低溫的溫度，如科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)的將物體冷卻到幾乎接近絕對(duì)零度，都是通過對(duì)很小的物體進(jìn)行制冷完成的。

那么我們有什么理由要花費(fèi)如此多功夫來激光制冷呢？起初的原因是如果我們想要精確的測(cè)量各種原子參數(shù)，最好的辦法就是冷卻原子使它們老實(shí)下來（需要配合磁光阱等手段），乖乖的讓我們操控觀察。而如今我們則又多了個(gè)理由，如果我們要觀察宏觀物體的量子行為，則必須使其處于極冷狀態(tài)。

激光冷卻的應(yīng)用

激光制冷在人類科研領(lǐng)域大展身手，不僅幫助科學(xué)家們觀測(cè)相干的物質(zhì)波波長，也為科學(xué)家們?cè)诰軠y(cè)量、量子信息等領(lǐng)域打開了新的研究窗口。

這項(xiàng)技術(shù)比較接地氣的應(yīng)用就是“時(shí)間”了。在以往，科學(xué)家們利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級(jí)具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點(diǎn)，發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，它的精度誤差達(dá)到了1秒/300萬年。而科學(xué)家在有了激光冷卻技術(shù)的加持后，可以將銫原子的運(yùn)動(dòng)速度降低，從而設(shè)計(jì)出冷原子鐘，它的精度誤差可以減小到1秒/3億年。我國的天宮二號(hào)搭載的全球首臺(tái)空間冷原子鐘是世界上計(jì)時(shí)最精確的時(shí)鐘，它與環(huán)繞地球運(yùn)行的北斗衛(wèi)星一同合作，為我們提供精確到厘米級(jí)的導(dǎo)航定位。

圖8 空間冷原子鐘（上海光機(jī)所研制 趙侃拍攝）

當(dāng)我們乘坐著由激光切割并焊接，靠北斗導(dǎo)航系統(tǒng)帶路的飛機(jī)和汽車暢行于世界各地時(shí)，不要忘記這背后離不開激光的功勞。

激光真的是科學(xué)家的好幫手，不僅很熱，還很COOL！

參考資料

[1]莊偉,李天初.激光冷卻和操控原子:原理與應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào),2018,36(05):28-38.

[2]王育竹,徐震.激光冷卻及其在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用[J].物理學(xué)進(jìn)展,2005(04):347-358.

[3]姬揚(yáng).激光制冷[J].物理教學(xué),2014,36(10):2-3.

[4]http://www.kepu.net.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr301.html

[5]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247484836&idx=1&sn=3d6c5accb9500f62942595820a2fe623&scene=38#wechat_redirect