激光一定是火熱的嗎？人家制冷時超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（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星球的死星超級激光炮么？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武器出現(xiàn)，它們幾乎都發(fā)揮同一個作用，那就是給物體加熱?？墒牵す饩烤故莻€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？究竟是個啥？

我們在生活中不僅會聽到激光這個詞，有時候還會聽到鐳射，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”會損害人們健康的誤解。其實，鐳射和鐳可沒有一丁點關(guān)系，它是英文單詞LASER的音譯，LASER這個詞取自于英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母，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）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，在港澳臺地區(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東西。（想了解更多激光的秘密，請戳：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的光，它具有熱效應(yīng)，300mW的普通激光筆可以近距離點燃紙張。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)上使用的強激光可以擊穿堅硬的鋼板，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 激光切割機正在切割鋼板（圖片來源：veer圖庫）

激光的這個特性被科學(xué)家們用來研究核聚變，科學(xué)家們使用多束強激光同時射向一個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，“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？這個問題困擾了人類許久，在公元18世紀，一個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)部分子運動的表現(xiàn)！所以，我們可以認為：花灑噴出的熱水的水分子運動的速度比浴室頂小水珠中的水分子的運動速度要快。

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)部分子的運動速度降下來，就可以達到我們的目標(biāo)了。

實際上，原子和分子每時每刻都在隨機高速運動著，而我們希望它們可以減減速，這很容易，既然它們不會“剎車”，那我們幫它們“剎”，我們只需對它們施加一個與運動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”幫助我們實現(xiàn)這個愿望。

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，因為科學(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，因為光很特殊，它雖然沒有質(zhì)量（光子的靜止質(zhì)量為零），但具有動量。大量光子照射在物體上，會對物體產(chǎn)生一種壓力，這個壓力被稱作光壓，這是光子把動量傳給物體的結(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動的原子減速是一個可行的方法。如果有一個原子正在向一個方向移動，迎面撞上了反方向移動的光子，那么光子動量就會轉(zhuǎn)移到原子上，原子的運動速度就變慢了，這就是激光冷卻的關(guān)鍵。

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

這個疑問非常有道理。

實際上，因為原子僅吸收特定波長的光，所以科學(xué)家會確保將激光波長調(diào)整為剛好大于靜止時原子的吸收波長。這樣，根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)原子向光子移動時，光的波長會被壓縮，當(dāng)光的波長被壓縮到恰好等于該原子的吸收波長時，原子就會吸收光子，原子就會從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，原子的運動速度減慢，動能減??；而當(dāng)原子停止或沿著光子同向運動時，原子就不會吸收光子了。

圖6 多普勒冷卻一維示意（圖片來源：參考文獻[1]）

那如果原子總是像往常一樣在所有隨機方向上移動怎么辦？

這個問題好解決，我們可以在另一個方向上添加更多的激光器。如果我們在原子頂部和底部，正面和背面也添加激光器或鏡子，這樣我們就有六個方向的激光來減慢可能以這六個方向的任何組合移動的原子。

圖7 六個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，我們可以達到多冷呢？

好吧，科學(xué)家們曾經(jīng)在實驗室將溫度降低到0.5nK，這幾乎達到了絕對零度（-273.15℃）。但是，由于海森堡的不確定性原理，我們永遠不會完全達到絕對零度，因為該原理表明我們永遠無法同時知道粒子的位置和動量。因此，我們永遠無法真正將原子的運動停下來。

對于我們通過激光冷卻所達到的非常低溫的溫度，如科學(xué)家們實現(xiàn)的將物體冷卻到幾乎接近絕對零度，都是通過對很小的物體進行制冷完成的。

那么我們有什么理由要花費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量各種原子參數(shù)，最好的辦法就是冷卻原子使它們老實下來（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)家們觀測相干的物質(zhì)波波長，也為科學(xué)家們在精密測量、量子信息等領(lǐng)域打開了新的研究窗口。

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

圖8 空間冷原子鐘（上海光機所研制 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)帶路的飛機和汽車暢行于世界各地時，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,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)進展,2005(04):347-358.

[3]姬揚.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