专家谈激光制冷

先熟悉空调或冰箱的工作原理：先用压缩机把工作介质（以前是氟利昂，现在改用其它工作气体）压缩，即对气体做功，使气体温度升高，把热量传递给外界，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；然后让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。这时介质气体温度将上升，再断开工作气体与待冷却物体之间的热接触，启动压缩机开始新一轮循环。

激光是单色光，它的方向性、相干性都非常好光，而普通光都是非相干光。无论是相干光还是非相干光，它们都是光源物质粒子由高能量状态跃变到低能量状态时发出的光子，但它们在发射光子的节奏上有巨大差别：产生非相干光光源的原子处于无序状态，发出的光不仅波长不同，方向性各异，而且相位也不相同；单色光光源的粒子行为是一种有序状态，即所谓的“在系统中实现了粒子数反转”，可以一起发光。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，光子行为都和触发激射的那个光子一样（受激辐射的光放大过程）。

激光制冷的实验技术有些难，但它的工作原理并不复杂。气体是由大量的原子（或分子）构成的，它们之间的相互碰撞会引起运动方向的改变。气体环境的温度是这些原子的平均速度的反映，平均速度越快，环境温度就越高。因此，要冷却气体，可以设法降低原子的平均速度。但是，如果采用一般方法降温，由于原子间存在相互作用，当原子速度越来越慢的时候，它们就彼此抱团变成了液体，进而变成了固体。现在对液体和固体的降温最低也只能降低到1mK左右（绝对零度以上的千分之一度），而绝对零度指的是所有粒子全都一动不动的理想状态。科学家们总是总是希望得到更低的温度，比如说万分之一度，甚至百万分之一度。办法就是分而治之，把原子气体放在非常稀薄的真空里，原子的数目非常少，彼此之间的距离远，它们产生相互联系的概率低。激光冷却就是把一个一个原子的速度降下来，实现整个系统也冷下来。

原子是由原子核和核外电子构成的，有其内部的自由度。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能量状态（吸收能量）或者从高能量状态跳下来（放出能量）。对于特定的原子，它只能够吸收和发射特定波长的光（跃变能为E₀）。考虑一个原子，我们用激光照射。由于激光光子的能量要比原子的跃变能E₀小一点，原子吸收这个光子将损失一点动能。也就是说，迎着光前进的原子只有频率增大（多普勒效应）才能满足吸收所需要的能量条件。当原子吸收了光子以后，它的总能量变大了，但它早晚还要发出光子、重新回到低能量的状态。由于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（自发辐射），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。从总体上看，原子运动的方向是无序的，实验上可以从三个方向来减小原子的运动速度，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，形成一个原子数目很多、原子运动速度极慢的“光学黏团”（就像一团粘糊糊的糨糊似的）。这种子方法可以实现绝对温标万分之一度的低温环境，采用更精密措施还可以达到更低的百万分之一度或更低的温度。激光冷却的速度非常快，不到一秒钟原子就从室温降低到宇宙中前所未有的低温了，相当是一眨眼就可以使小火炉变冰棍。

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。

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（大约包含了10¹⁴个原子）。有些科学家正在研究用激光来冷却大块材料的方法。