【极热篇｜第二章：不同温度的物质形态】04 激光制冷

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严老师讲义 

激光除了可以提供超高的温度外，还能制冷。只不过激光制冷的原理，用的不是激光的高功率，而是利用了激光的高精确度。关于制冷的知识，理应放到第六篇【极冷篇】进行讲解，但是激光制冷作为一门单独的技术，甚至是物理学中比较独立的学术方向，还是放在激光的知识中讲解比较有连贯性。

我们日常生活中的光线，几乎不可能只有单一频率，都是夹杂着各种频率的混合光线，它们都有比较宽的频谱。比如太阳光的频率就非常宽，红橙黄绿青蓝紫。

但是由于激光选择器导致它的单色性非常好，也就是说，激光光束中的光子的频率都十分集中，误差非常小。我们可以通过激光去人为选择光子的能量，做到精确的控制。

2.4.1 激光制冷的本质

激光制冷是依靠激光的准确性做到的。冷，就是温度低，温度低就是微观粒子的运动动能极小。由于存在量子力学的不确定性原理，我们无法得到绝对零度的微观粒子，但是可以通过实验手段把温度降到极低，非常接近绝对零度。

激光制冷的根本过程，就是把原子的运动速度降到极慢。还是考虑一个原子的情况，当一个原子中的电子处在能量比较高的状态时，原子是不稳定的，它倾向于掉落到能量比较低的状态。在掉落的过程中，由于能量守恒会释放出一个光子，这个光子除了有能量以外，还有动量。原子和光子作为一个整体，它的动量在放出光子前后是守恒的。也就是在放出光子以后，原子的运动速度会发生改变。让光子放出时，对原子产生反作用力，让原子减速，这就是激光制冷的基本过程。

具体的操作是这样的：用激光发出一个光子，调节激光的频率使得发出光子的能量刚好要比原子能级之间的能量差小一点。用这个光子打在原子上，就会有几种不同的情况。

2.4.2 激光制冷的过程

第一种情况，原子的运动和激光同向。根据多普勒效应，相对原子来说，光源是在远离它的。因此，它接收到的光子的频率比原本激光的频率还要低。也就是对于原子来说，这个光子的能量比之前要小，甚至比不上原子内部能级的能量差。这种情况下，光子无法把原子里的电子激发到更高的能级。所以，对于原子来说，这个光子就跟不存在一样。

第二种情况，原子的运动方向和激光方向相反。根据多普勒效应，原子接收到光的频率比原频率略高，如果原子的运动速度还比较快，我们知道激光原频率是比原子能级差要小一点点。如果原子接收到光子的能量高过原子能级差，原子内的电子就会被激发到高能级，我们就说这个原子吸收了这个光子。

但是由于光子是不稳定的，所以要被释放出去。光子的释放也有两种情况。

第一种情况，光子释放的方向偏向于原子运动方向这边。原子由于射出了一个跟自己同向运动的光子，因此获得了减速，这就达成了减速的效果。

但是如果光子射出的方向跟原子运动方向相反，原子反而被加速，重复上一轮的过程。这个被加速的原子一定会吸收一个激光光子，然后进行光子的释放，原子最终一定会逐渐能量降低达到稳定态。根据上一章玻尔兹曼的分布规律，我们知道，能量越高的原子在系统里存在的比例越少，所以原子射出光子，反而被加速的比例也会越来越少。从总体上，就达成了制冷的效果。

在实际操作过程中，被制冷的原子是用六束激光分别从上、下，左、右，前、后，六个方向全面的约束原子的运动。最终原子的运动动能会被激光的频率限制。原则上，激光光子能量比原子能级差的能量低，低得程度越小，原子就能被降到更低的温度。

激光制冷，彻底催生了物理学中的一个新的研究领域，叫冷原子。目前它能把原子的温度降低到 1nK，也就是比绝对零度高出一度的十亿分之一度。

2.4.3 冷原子的应用

冷原子在凝聚态物理中是非常新，且具有活力的研究领域。冷原子对于研究不同材料的量子性质提供了很重要的实验手段，对量子计算机的研究也大有帮助。

至此，我们已经了解了不同温度情况下的物质形态，以及如何获得极高的温度。结合第一章，我们对热力学和统计力学都有了比较全面的了解。但是我们还是没有抛弃一个大前提，我们讨论的大多是稳态系统的物理性质，也就是我们研究的都是等了足够长时间，系统已经不会再发生变化的稳定态，是一种静态。所有的物理过程，比如加温、加压，我们都会假设这个参数变化的过程是极其缓慢的，以保证在参数变化的过程中整个系统时时刻刻处在稳定态。

但是要知道，现实世界中大部分的真实系统都是非稳态系统，加热是非稳态的，比如烧水时水的沸腾极其剧烈，比如发动机的工作也是非稳态，并且十分迅速的过程。非稳态的研究比稳态要复杂的多，就目前来说，还是一个开放领域。有相当多古老的非稳态系统的问题，至今都没有被解决。

下一章，我们就进入非稳态系统的讲解，看看非稳态系统的研究方法是什么样的。