激光一定是火热的吗？人家制冷时超cool

作者：李威（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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还记得《星球大战》里的激光枪和能够摧毁整个星球的死星超级激光炮么？还记得《星际迷航》里能让敌人瞬间蒸发的相位武器么？还有那位超人，天生拥有一双令反派望而生畏的激光眼。

图1《星球大战原力觉醒》海报中出现的激光武器

图2 拥有激光眼的超人（图片来源：果壳网）

激光在这些作品中常常作为一种威力巨大的超级武器出现，它们几乎都发挥同一个作用，那就是给物体加热。可是，激光究竟是个什么东西？和普通的光有什么不一样？激光只能用来加热东西吗？跟随大院er做一名“追光者”，看看激光世界的无穷秘密吧~

镭射？激光？究竟是个啥？

我们在生活中不仅会听到激光这个词，有时候还会听到镭射，那它俩究竟是啥？它们之间又有啥区别呢？

不了解的朋友可能会从字面意义上将“镭射”理解为镭所放出来的射线，从而产生“镭射”会损害人们健康的误解。其实，镭射和镭可没有一丁点关系，它是英文单词LASER的音译，LASER这个词取自于英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母，意思是“受激辐射的光放大”。

那么什么是“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1917年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，在港澳台地区，人们通常将受激发射的光称作镭射，而我们则按照钱学森先生的建议将其称作激光，这是更合适的翻译。所以，镭射和激光就是同一个东西。（想了解更多激光的秘密，请戳：院士跟你聊聊，激光的昨天，今天和明天）

受到一些科幻电影的影响，我们都知道激光是一种能量很强的光，它具有热效应，300mW的普通激光笔可以近距离点燃纸张。医院里使用激光脱毛祛斑，甚至用激光焊接视网膜。工业上使用的强激光可以击穿坚硬的钢板，连世界上最硬的物质——钻石，都可以使用激光来切割打磨。

图3 激光切割机正在切割钢板（图片来源：veer图库）

激光的这个特性被科学家们用来研究核聚变，科学家们使用多束强激光同时射向一个充满氘和氚的燃料芯，在这么多束激光的作用下，燃料芯的温度可以超过一亿摄氏度，这比太阳中心温度还高五六倍，这是世界上人类制造的最高的温度，燃料芯受到的压力则是地球大气层压力的1000亿倍，于是燃料芯被点燃，氘和氚发生核聚变反应，释放出巨大的能量。

我们可以看到，以上的应用都是利用了激光的亮度高，能量高度集中的特性。可是你知道吗，这么“热”的激光，还可以将原子冷却到极低的温度。这听起来多么的不可思议，简直违反我们的直觉。

“冻住”原子，激光有妙招

好的，在我们解释激光冷却的原理之前，我们首先需要知道“热”意味着什么？

想象一下，当我们正在浴室里拿着花洒舒服的冲着热水澡时，“啪嗒”一声，浴室顶的一颗冰凉水珠受不了地球重力的影响滴在你身上，狠狠地刺激了你一下，你不禁疑惑，为什么同样是水，这些水珠却不如花洒喷出来的水热，“热”本质上究竟是什么呢？这个问题困扰了人类许久，在公元18世纪，一个叫罗蒙诺索夫的科学家终于给出了答案：热是物质内部分子运动的表现！所以，我们可以认为：花洒喷出的热水的水分子运动的速度比浴室顶小水珠中的水分子的运动速度要快。

图4 浴室的水珠（图片来源：veer图库）

理解了物体“热”的本质之后，我们也就知道了如何“冷却”的方法，我们只要将物体内部分子的运动速度降下来，就可以达到我们的目标了。

实际上，原子和分子每时每刻都在随机高速运动着，而我们希望它们可以减减速，这很容易，既然它们不会“刹车”，那我们帮它们“刹”，我们只需对它们施加一个与运动方向相反的力就可以了。可它们太小了，小到我们不能用手指抓住它们并放慢它们的速度，所以我们需要找到一双“小手”帮助我们实现这个愿望。

那谁的“小手”可以帮助我们呢？

科学家们想到了“光”。咦？这想法好像行不通啊，因为科学家似乎在往系统里添加能量以尝试减少系统的能量，就好像试图用喷火器吹灭蜡烛，这么做有用吗？

图5 喷火器吹蜡烛（图片来源：作者自制）

当然有用了，因为光很特殊，它虽然没有质量（光子的静止质量为零），但具有动量。大量光子照射在物体上，会对物体产生一种压力，这个压力被称作光压，这是光子把动量传给物体的结果。太阳帆就是利用光压作为推力的，彗星的尾巴总是背着太阳也是受到了太阳光压的作用。

所以利用光子的光压来使不断运动的原子减速是一个可行的方法。如果有一个原子正在向一个方向移动，迎面撞上了反方向移动的光子，那么光子动量就会转移到原子上，原子的运动速度就变慢了，这就是激光冷却的关键。

我们到这里可能又会有疑问产生，一旦原子放慢了速度，岂不是会继续受到更多光子的撞击并朝相反方向加速吗？而且原子的运动是随机的，如果原子和光子的运动方向相同，那岂不是原子运动的更快了？

这个疑问非常有道理。

实际上，因为原子仅吸收特定波长的光，所以科学家会确保将激光波长调整为刚好大于静止时原子的吸收波长。这样，根据多普勒效应，当原子向光子移动时，光的波长会被压缩，当光的波长被压缩到恰好等于该原子的吸收波长时，原子就会吸收光子，原子就会从基态跃迁到激发态，原子的运动速度减慢，动能减小；而当原子停止或沿着光子同向运动时，原子就不会吸收光子了。

图6 多普勒冷却一维示意（图片来源：参考文献[1]）

那如果原子总是像往常一样在所有随机方向上移动怎么办？

这个问题好解决，我们可以在另一个方向上添加更多的激光器。如果我们在原子顶部和底部，正面和背面也添加激光器或镜子，这样我们就有六个方向的激光来减慢可能以这六个方向的任何组合移动的原子。

图7 六个方向的激光用来冷却原子（图片来源：图片来源：https://www.newelectronics.co.uk/）

那么通过激光冷却，我们可以达到多冷呢？

好吧，科学家们曾经在实验室将温度降低到0.5nK，这几乎达到了绝对零度（-273.15℃）。但是，由于海森堡的不确定性原理，我们永远不会完全达到绝对零度，因为该原理表明我们永远无法同时知道粒子的位置和动量。因此，我们永远无法真正将原子的运动停下来。

对于我们通过激光冷却所达到的非常低温的温度，如科学家们实现的将物体冷却到几乎接近绝对零度，都是通过对很小的物体进行制冷完成的。

那么我们有什么理由要花费如此多功夫来激光制冷呢？起初的原因是如果我们想要精确的测量各种原子参数，最好的办法就是冷却原子使它们老实下来（需要配合磁光阱等手段），乖乖的让我们操控观察。而如今我们则又多了个理由，如果我们要观察宏观物体的量子行为，则必须使其处于极冷状态。

激光冷却的应用

激光制冷在人类科研领域大展身手，不仅帮助科学家们观测相干的物质波波长，也为科学家们在精密测量、量子信息等领域打开了新的研究窗口。

这项技术比较接地气的应用就是“时间”了。在以往，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出比晶体钟更高精度的原子钟，它的精度误差达到了1秒/300万年。而科学家在有了激光冷却技术的加持后，可以将铯原子的运动速度降低，从而设计出冷原子钟，它的精度误差可以减小到1秒/3亿年。我国的天宫二号搭载的全球首台空间冷原子钟是世界上计时最精确的时钟，它与环绕地球运行的北斗卫星一同合作，为我们提供精确到厘米级的导航定位。

图8 空间冷原子钟（上海光机所研制 赵侃拍摄）

当我们乘坐着由激光切割并焊接，靠北斗导航系统带路的飞机和汽车畅行于世界各地时，不要忘记这背后离不开激光的功劳。

激光真的是科学家的好帮手，不仅很热，还很COOL！

参考资料

[1]庄伟,李天初.激光冷却和操控原子:原理与应用[J].科技导报,2018,36(05):28-38.

[2]王育竹,徐震.激光冷却及其在科学技术中的应用[J].物理学进展,2005(04):347-358.

[3]姬扬.激光制冷[J].物理教学,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