为什么激光不仅可以制冷还可以加热？十万个量子为什么（十八）

发布时间：2026-01-27

　　前段时间，电影《名侦探柯南：独眼的残像》上映，“柯学”爱好者们又拿起了放大镜对剧情展开了深入研究，貌似这次电影中出现了些不科学的场景，比如——

　　主角团们操纵射电望远镜巨大的主反射面，将激光导星系统射出的激光精准反射到柯南脚下恰到好处腾空而起的“金属反光板”，完成若干次跳跃后，最终让激光击中反派座驾的驾驶舱，借助庞大的天文台设备和柯南高超的动作技能，实现了精准的激光炮反射攻击，可谓槽点满满。

　　用射电望远镜的反射面反射激光是最大的槽点了。射电望远镜反射面是专门针对射电波长设计的。反射面实际上由很多块金属板拼接而成，用它来反射激光，很大的可能就是激光从金属板的洞洞穿过~去~了。

　　▲FAST反射面安装的场面，可以看出金属板子是“透光”的（图片来源：新华网）

　　激光的英文是LASER，全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“受激辐射的光放大”。激光技术与原子能、半导体及计算机一起，是二十世纪最负盛名的四项重大发明。激光作为上世纪发明的新光源，它具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，广泛应用于工业、医学、成像技术、科学研究等方面。

　　1997年诺贝尔物理学奖颁给了美国华裔物理学家朱棣文、法国科学家科恩·塔诺基和美国科学家威廉·菲利普斯，以表彰他们发现了激光冷却和捕获原子的方法。

　　当一个原子迎面撞向一束激光，如果激光的频率刚好等于原子向高能级跃迁需要的频率，原子就会吸收光子的能量，跳到更高的能级状态。由于光子具有动量，根据动量守恒，原子吸收光子后动量会减少，原子像被迎面撞上的光子踢了一脚，减速了。

　　原子跳到高能级后可能还会跳回来，同时放出一个光子，这个过程即随机的自发辐射。如果辐射出的光子的运动方向跟原子运动方向一致，带来的反冲就会让原子再减速一次，如果辐射光子运动方向跟原子相反，原子就被加速。由于光子的方向是完全随机的，自发辐射的过程有可能加速原子，有可能减速原子。

　　整个过程形象地说就是，飞奔的原子接到迎面而来光子球，原子被减速；然后原子随机把光子球扔出去，飞出去的光子会给原子一个反冲作用。如果源源不断有光子迎面砸向原子，原子就跑得越来越慢了。注意，这里的原子是稀薄气体中的原子，密度比空气低了10个数量级，原子释放出的光子不会被周围的原子吸收。

　　另外，由于原子也在运动，根据多普勒效应，在原子看来，它迎向的那束激光波长被压缩，原子“感受”到的激光频率会稍微升高。所以还要把多普勒效应引起的这点频率差考虑进来：可以调整激光的频率以适应原子的跃迁能级，也可以加入变化的磁场改变原子的跃迁能级（比如塞曼减速器，可以在1~2米的距离内将原子的速度从每秒一千米迅速降低到每秒几十米）。

　　小结一下，当光子的频率（颜色）匹配原子跃迁的能级差，原子就会吸收光子；原子吸收迎面而来的光子，速度变慢；让原子不停吸收光子持续减速，就达到了冷却的目的。这就是激光冷却的原理。

　　大量原子的运动方向是杂乱无章的，只用一束激光来给原子“刹车”效率太低，用两束相对的激光夹击原子，效率就会高些，如果在上下、左右、前后方向都射入激光，不管原子往哪个方向运动，都有机会被减速。

　　来自各个方向射入的激光，让原子们陷入了“光学糖浆”，速度越来越慢，温度越来越低。自发辐射导致的原子随机游走，限制了原子平均速度无法无限慢下去，原子能达到的最低温度一度被认为在mK（毫开尔文）量级，这被称为多普勒极限温度。碱金属族原子，如铷原子的多普勒极限温度在0.15mK。但是实际上，物理学家们测得的“光学糖浆“中原子的温度比多普勒极限温度还要低。

　　实验结果比理论还要好，肯定是哪里出问题了！这是因为在”光学糖浆“中隐藏着一个更深刻的冷却机制-偏振梯度冷却。原子在偏振正交的两束激光形成的周期性势场内运动，当原子克服势能（损失动能）爬到顶端时，被激光瞬间打回到势场底部，如此往复原子的温度可以被进一步冷却至μK（微开尔文）范围。古希腊神话中西西福斯被神惩罚背着巨石上山，然而每次在快到山顶时石头会滚回山底，偏振梯度冷却也因此被形象地称为西西福斯冷却（Sisyphus Cooling）。

　　给激光配上一对电流方向相反的线圈，我们就得到了可以捕获并冷却大量原子（10^9）的磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）。塞曼减速器和磁光阱的组合可以说是冷原子实验室的“标配”。

　　▲磁光阱中的囚禁的原子团直径在厘米量级，原子发出的荧光可以被肉眼或者相机观测到。（图片来源：）

　　为了进一步降低原子团的温度，科学家们又开发了很多新的技术，比蒸发冷却，拉曼边带冷却，电磁诱导透明冷却等。

　　▲蒸发冷却：逐步降低势阱高度，让能量较高的原子跑掉，剩下的原子达到热平衡后的温度将逐渐降低（损失原子，降低温度并提高密度）。

　　请大家记住，绝对零度（0K，-273.15℃）是温度的最低限度，无法逾越。在绝对零度，原子和分子运动完全停止。然而宇宙中不存在完全静止的微观粒子，绝对零度永远都达不到，只能无限接近。科学家借助激光致冷和蒸发冷却等手段不断向绝对零度逼近，现在已经可以把原子团冷却到pK（皮开尔文）的量级。这个温度比太空中的温度还要低。

　　要这么冷有什么用呢？用处非常大。冷原子物理在测量基本物理常数，验证基础物理定律，暗物质探测，模拟量子多体物理模型，量子信息存储，量子计算，地质勘探，GPS定位，微弱电磁信号探测等诸多前沿领域具有广泛的应用。在冷原子基础上衍生出的冷分子物理继承了冷原子的优势，并有着更高的可操控性。冷分子领域的研究正不断将我们对与化学反应的认知与调控，对新奇量子多体物态的探索推进至新的高度。

　　有人说AI、量子计算和可控核聚变是当今三大前沿技术。目前可控核聚变有磁约束和激光约束两种实现方式。激光从四面八方射向中心靶丸，烧蚀靶丸表面的材料，烧蚀的材料向外喷射产生向心的反冲力，靶丸内部的氘氚气体受到高温高压，引发核聚变——相当于用激光为聚变点火。