激光那么“熱”，為什么可以用來冷卻原子？

在世人的眼中，激光是一種能量很強的光，它有熱效應，強激光能擊穿金屬，可以充當武器。但是，現在卻有激光冷卻，能把原子的溫度冷卻到只比絕對零度高那么一點點兒。這是怎么做到的呢？

熱的本質

激光冷卻不難理解，但在徹底理解它之前，我們還需要再了解一些東西。熱大家都知道，但是熱的本質，我們還需要再回顧一下。

“今天氣溫有多高？”“水有多冰涼？”等等諸如這些句子是我們日常聊“熱”的一種方式。

日常不代表本質，如果以上問題要問得更物理一些，其實我們應該這樣來問，即像這樣“今天的大氣分子運動速度有多快？”“水分子運動速度是多少？”

是的，熱就是物體中微觀粒子運動速度快慢的表現。拿水來說就是這樣：若水分子運動得慢，水的溫度就低，若更慢，水分子就不到處亂跑了，而是原地踏步，于是，水就成了冰；相反，若水分子運動劇烈，則水就開始沸騰、蒸發，變成氣體飛到空中……

熱的本質，現在看來很簡單，但是直到1745年，一個叫羅蒙諾索夫的俄羅斯科學家才真正道出，他說：熱是物質內部分子運動的表現！

而在之前，熱的本質幾乎是一個未解之謎。那時候，如果你問，為什么有的東西熱，有的東西冷？人們會毫不猶豫地告訴你，那是因為熱的東西有熱素，冷的東西有冷素。

如何冷卻

回顧了一遍熱的成因后，我們就能繼續下一步了，如何有效地冷卻？很簡單，把微觀粒子的運動速度降下來。生活中，降溫的方法很多很多，然而，要想得到全宇宙最低的溫度，就必須使用激光！

正常的室溫條件下，空氣中大氣分子的運動速度高達每秒幾百米，這跟某些槍的初速差不多。即使溫度低到零下270℃，也會有一部分微觀粒子的速度達到每秒幾十米。因此，要讓分子原子的運動速度大大降低，著實不是一件容易的事。

原子、分子那么小，你要讓它們的速度降下來，不可能用一些粗暴的辦法，因為它們太小了，一個好辦法是，用一些更小的粒子去“撞擊”它們，抵消它們的速度，這就類似于，一輛迎面而來的小車，它處在自由滑行的狀態，為了降低它的速度，你可以不斷地向它扔石頭，每砸一次，小車的速度降低一些，直到降低到我們想要的速度。

那么，用什么來“撞擊”分子或者原子呢？最適合的莫過于光子了。我們都知道，光子會產生一種壓力，這就是光壓。科幻中或者設想中的太陽帆就是利用無數的光子作為推力的。

說到這里，肯定有人馬上生出疑問：說得輕巧，但是你知道嗎？分子的運動是無規則的，有的迎面向你運動，這好辦，有的卻是同向運動，你把光子扔過去，遇到迎面的分子，這自然能降低它們的速度，但是，如果分子的運動方向跟光子相同，你豈不是又增加了分子的運動速度？這么一搞下來，等于是做無用功。

這個疑問非常有道理，這也是無數人在理解激光冷卻時必然會遇到的一個問題。

要度過這道坎，咱們得從原子的能級說起。

原子的能級

原子就是原子核加上原子核外面的眾多電子。而電子在原子核外面的排布是分極的。舉個不準確但是非常形象的比喻就是，原子核就是太陽，電子就是行星。

跟太陽系所不同的是，電子只能從這個軌道躍遷到另一個軌道，絕不會待在兩個軌道之間的某一個位置。也就是說，如果地球是一個電子，那么，它要么獲得能量后，躍遷到火星的軌道，或者失去能量，降到金星的軌道，決不能處在地球軌道和火星軌道的中間。

就像一棟電梯樓，有的電子處在第一層，它的能量最低，此時我們稱為基態，有的電子處在第二層，有的處在第三層……顯然，電子要想從第1層躍遷到第2層時必須要獲得能量：比如捕獲某個光子，這個光子的能量恰好等于第1層和第2層之間的能量差。

而電子從第3層躍遷到第2層時，顯然電子的能量值就降低了，但是能量不能憑空消失，所以，電子減少的那一部分能量會作為一個光子發射出去，而這個光子的能量恰好等于第3層和第2層之間的能量差。

從以上我們看出來了，原子要想吸收光子的話，這個光子的能量是電子不同能級的能量差。也就是說，原子不可能吸收一個光子后，核外的電子從第2層躍遷到了第2.7層，這是不可能發生的。

明白了這點，我們就能知道如何讓原子減速了。

多普勒效應

上文中，咱們已經知道，朝原子發射光子，就能讓迎面而來的原子速度降低，然而，難點是，原子的運動方向如果跟光子相同，就會加快原子的運動速度。

不過，在回顧了上文中原子的能級后，我們已經明白：不是所有的光子，原子都能吸收！

既然這樣，可不可以讓迎面而來的原子吸收我們發射的光子，而同向而去的原子不吸收？當然可以了，根據什么呢？多普勒效應。

我們知道，迎面而來的火車，其聲尖銳，因為火車發出的聲波跟火車一個方向，聲波被“擠壓”，頻率升高了；同理，逐漸遠去的火車，其聲音的音調變低，因為聲波被“拉伸”，頻率降低。

光既是粒子也是電磁波，如果光是迎面而來，那么被壓縮，光的頻率就會升高，如果光是遠離而去，光的頻率就會降低。

頻率決定了光的能量，比如紫外線的頻率比紅光的高，所以紫外線能量能紅光的高。而剛才我們說了，原子只能吸收固定的能量，換句話說，原子只能吸收某種頻率的光子，這個頻率就是原子的固有頻率。

接下來，就好辦了。當我們要想冷卻某種原子的時候，發射一束頻率比該原子固有頻率稍低的光子，此時，對于迎面而來的原子來說，這束光子的頻率會升高，高到恰好等于該原子的固有頻率，于是被吸收，然后被減速。而對于運動同向的原子呢，這束光的頻率會降低，就不能吸收了。

這，就是激光冷卻原子的原理！

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