光是如何让原子冷静下来的？

物质内的原子或分子都在永不停歇的做无规则热运动，这种运动的剧烈程度由系统的温度来描述。运动越剧烈，则温度越高，反之温度越低。

这种关系具体可表示为 左边就是粒子质心运动的平均动能，右边的  叫做玻尔兹曼常数，而  是采用绝对温标表示的温度。

该规律告诉我们，要想让物体的温度降下来，只要让它里面的原子的运动尽可能慢下来就行了。

这让人不禁想起一句中国俗语：心静自然凉。意思是说，当你静下来的时候，自然就感觉凉快了。而词语“冷静”更是刻画到位 —— 冷与静就是天生一对。

温度本身是一个统计平均量，这种统计平均只有针对大量粒子才有意义。因此，只有大量原子才具有温度，少数个原子是不存在温度的。

但既然原子质心运动的平均动能与温度等价，人们习惯将原子“运动慢”说成“温度低”，而将“让原子静下来”这件事说成“冷却原子”，即使此时原子寥寥无几。

一般情况下，原子总在运动，就像蹦来蹦去的淘气鬼。

然而，对很多科学研究来说，例如像原子钟、光谱测量技术以及观察物质的新形态 —— 玻色爱因斯坦凝聚（BEC）等，让原子最大限度的冷静下来，是很重要的。

那么，有什么办法能让原子静下来呢？

有啊！降温呗，采用各种低温技术就可以啊！只要让原子所处环境温度足够低，原子都被冻住了，也没力气再动来动去了。

可是，要真正让原子冷静下来，温度需要接近绝对零度才可以，而一般的低温技术根本达不到这个要求。

那该怎么办呢？

你知道，若想让河水停下来，筑坝拦住就行了。

但是原子的运动是杂乱无章的，方向各异，速度有快有慢。要使它们慢下来，不可能对原子集体作用，作用必须到原子个体上。正如你想摧毁战场上那混乱的敌军战车，你能做的就是瞄准它们各个击破。

但原子非常小，有什么精细的武器能将作用准确施加到原子个体上呢？

不错，光能干这事！

光虽然是照在原子上集体上，但各个光子就像射弹一样精准的打在各个原子上，保证作用到位。

打个比方，原子就好比是马路上行驶的汽车，而光子就像是迎着汽车飞过去的石头。根据动量守恒定律，就像汽车不断被迎头击中而降速一样，原子也会因为不断受到光子的冲撞而逐渐慢下来。

但问题是，入射的光可能会让迎面而来的原子减速，但同样也会让那些与光子速度同向的原子加速。并且可以想见，原子被光子碰撞而加速和减速的机会应该是一样多！所以无法为原子降速。

看来，想要实现给原子降速的目的，必须要解决的关键问题是：如何做到只让迎着光的原子被光子撞击，而避免沿着光的方向运动的原子被光子推动呢？

要回答这个问题，就得看光子碰到原子会发生什么。

这得首先从光量子的概念说起。

电磁波在碰到其他微粒时，看起来就像一个弹性小球，它们的能量和动量分别为 对一般的普通光源来说，频率  不是唯一的。所以对一般的光来说，光子的能量各不相同。

激光是一种相干光，它的方向性好，而且有很好的单色性，可近似被认为只有一个频率，每个光子都具有相同的能量。

光子碰到原子时，它可能被原子吸收 —— 之所以说可能，是因为这个吸收不一定发生，取决于原子吸收光子的能量后，能否跳到其他能级。

那么，什么是能级呢？

原子具有能量，这个能量包含原子整体（主要是原子核）的动能、电子的动能以及电子与原子核之间相互作用的能量。

原子整体的能量很大，除非高能光子，普通激光的能量不足以达到这个的级别，因此很难与之发生能量交换。就好像你丢一个乒乓球到一个铁球上一样，乒乓球直接被原速弹回，铁球还是兀自按原速运动。

电子就不一样了，因为它比原子核小很多，没那么高冷，光子的能量可以得到它的青睐。尤其是外层电子，由于受原子核约束较小，更容易与外来的光子发生作用。

换句话说，电子几乎接管了原子全部的对外交流活动，外来的粒子如何被吸纳或拒绝，都是由电子来决定的！这就是为什么我们说原子态或原子能级时总是只讨论电子的原因。

那么，是不是电子可以随意地吸收各种不同能量的光子呢？

不行，电子身不由己啊！由于量子力学的限制，电子只能在某些离散的轨道上运动，这使得它无法接受不满足要求的能量。

电子绕原子核运动，对某种原子来说，电子可能的轨道是确定的。电子只能在这些轨道上运动，这就好像太阳系一样，那些行星只能在那些确定的轨道上运动，如果偏离一点，这个太阳系可能就要崩溃了。

轨道  上的电子具有能量  ，离核越远时能量越高，反之越低。由于电子的轨道不连续，所以这个能量也是不连续的，这个能量就是原子的能级。

当电子从低轨道  跃迁到高轨道  时，它要吸收相应的能量

如果一群原子都处在  的态 —— 基态，它们至少需要吸收 的能量，才能把电子激发到第 2 轨道。如果某光子的能量都达不到这个值，原子将不吸收该光子，原子的能量保持不变，当然速度也就不变。

只有当入射的光子提供的能量够原子发生一个能级跃迁时，原子才会吸收光子，根据动量守恒定律，这将导致原子的速度发生变化。

好了，解决前面那个关键问题的思路有了：只要想办法让迎着运动原子的光子能量大一点，而让追着运动原子的光子的能量小一点就行了！

那么，这又该如何才能做到呢？

多普勒效应来救场了！

我们有这样的经验，当火车从远处驶过来的时候，它的鸣笛的声调较高，而当它远离我们而去时，声音就变得较为低沉。这就是声音的多普勒效应。

而光也有类似的效应，当接收者与光源相对运动时，多普勒所导致的接受频率为

其中  为接收者与光源之间的相对速率。

可见，对迎着光运动的原子来说，光的频率大一些，所以能量高一些；而对与光同向运动的那些原子来说，光的频率小一些，所以能量低一些。

这样一来，我们就有办法了：

只要让激光的频率比原子能吸收的光子的频率小一定的值即可！

具体来讲就是，针对对要冷却的原子调整激光的频率到一个合适的值，使得迎着光运动的原子接受的光子的频率满足原子能级跃迁的要求，光子被吸收，原子的速度降低。

对于沿着光方向运动的原子来说，由于多普勒效应，光子的能量不够激发电子到达更高的轨道，故原子就不吸收光子，避免了原子被加速。

如果从多个方向入射激光，无论原子朝哪个方向运动，它总是吸收迎面而来的光子。因而在每个散射中，原子都会失去动量而使速度降低。这些原子就好似处在“粘稠的糖浆”中，它们的运动不断受到阻挠，直到几乎静止。

激光冷却的实现有很多不同的技术，其中最重要的原理是多普勒效应，因此激光冷却也被称作多普勒冷却。通过多普勒冷却，人们成功将铷-85 原子冷却到 150 微开的低温。

在现代物理研究中，激光冷却原子是一项非常重要的技术。1997 年诺贝尔物理学奖授予科恩（Cohen-Tannoudji）、朱棣文（Steven Chu）和菲利普斯（Daniel Phillips），因为他们发展了“激光冷却和捕获原子的方法”。

本文来自微信公众号：大学物理学 （ID：wuliboke），作者：薛德堡

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