光量子的概念

物質(zhì)內(nèi)的原子或分子都在永不停歇的做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的劇烈程度由系統(tǒng)的溫度來(lái)描述。運(yùn)動(dòng)越劇烈，則溫度越高，反之溫度越低。

這種關(guān)系具體可表示為

左邊就是粒子質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能，右邊的 叫做玻爾茲曼常數(shù)，而 是采用絕對(duì)溫標(biāo)表示的溫度。

該規(guī)律告訴我們，要想讓物體的溫度降下來(lái)，只要讓它里面的原子的運(yùn)動(dòng)盡可能慢下來(lái)就行了。

這讓人不禁想起一句中國(guó)俗語(yǔ)：心靜自然涼。意思是說(shuō)，當(dāng)你靜下來(lái)的時(shí)候，自然就感覺(jué)涼快了。而詞語(yǔ)“冷靜”更是刻畫(huà)到位——冷與靜就是天生一對(duì)。

溫度本身是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均量，這種統(tǒng)計(jì)平均只有針對(duì)大量粒子才有意義。因此，只有大量原子才具有溫度，少數(shù)個(gè)原子是不存在溫度的。

但既然原子質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度等價(jià)，人們習(xí)慣將原子“運(yùn)動(dòng)慢”說(shuō)成“溫度低”，而將“讓原子靜下來(lái)”這件事說(shuō)成“冷卻原子”，即使此時(shí)原子寥寥無(wú)幾。

一般情況下，原子總在運(yùn)動(dòng)，就像蹦來(lái)蹦去的淘氣鬼。

然而，對(duì)很多科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，例如像原子鐘、光譜測(cè)量技術(shù)以及觀察物質(zhì)的新形態(tài)——玻色愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）等，讓原子最大限度的冷靜下來(lái)，是很重要的。

那么，有什么辦法能讓原子靜下來(lái)呢？

有??！降溫唄，采用各種低溫技術(shù)就可以??！只要讓原子所處環(huán)境溫度足夠低，原子都被凍住了，也沒(méi)力氣再動(dòng)來(lái)動(dòng)去了。

可是，要真正讓原子冷靜下來(lái)，溫度需要接近絕對(duì)零度才可以，而一般的低溫技術(shù)根本達(dá)不到這個(gè)要求。

那該怎么辦呢？

你知道，若想讓河水停下來(lái)，筑壩攔住就行了。

但是原子的運(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章的，方向各異，速度有快有慢。要使它們慢下來(lái)，不可能對(duì)原子集體作用，作用必須到原子個(gè)體上。正如你想摧毀戰(zhàn)場(chǎng)上那混亂的敵軍戰(zhàn)車(chē)，你能做的就是瞄準(zhǔn)它們各個(gè)擊破。

但原子非常小，有什么精細(xì)的武器能將作用準(zhǔn)確施加到原子個(gè)體上呢？

不錯(cuò)，光能干這事！

光雖然是照在原子上集體上，但各個(gè)光子就像射彈一樣精準(zhǔn)的打在各個(gè)原子上，保證作用到位。

打個(gè)比方，原子就好比是馬路上行駛的汽車(chē)，而光子就像是迎著汽車(chē)飛過(guò)去的石頭。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，就像汽車(chē)不斷被迎頭擊中而降速一樣，原子也會(huì)因?yàn)椴粩嗍艿焦庾拥臎_撞而逐漸慢下來(lái)。

但問(wèn)題是，入射的光可能會(huì)讓迎面而來(lái)的原子減速，但同樣也會(huì)讓那些與光子速度同向的原子加速。并且可以想見(jiàn)，原子被光子碰撞而加速和減速的機(jī)會(huì)應(yīng)該是一樣多！所以無(wú)法為原子降速。

看來(lái)，想要實(shí)現(xiàn)給原子降速的目的，必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：如何做到只讓迎著光的原子被光子撞擊，而避免沿著光的方向運(yùn)動(dòng)的原子被光子推動(dòng)呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題，就得看光子碰到原子會(huì)發(fā)生什么。

這得首先從光量子的概念說(shuō)起。

電磁波在碰到其他微粒時(shí)，看起來(lái)就像一個(gè)彈性小球，它們的能量和動(dòng)量分別為

對(duì)一般的普通光源來(lái)說(shuō)，頻率 不是唯一的。所以對(duì)一般的光來(lái)說(shuō)，光子的能量各不相同。

激光是一種相干光，它的方向性好，而且有很好的單色性，可近似被認(rèn)為只有一個(gè)頻率，每個(gè)光子都具有相同的能量。

光子碰到原子時(shí)，它可能被原子吸收——之所以說(shuō)可能，是因?yàn)檫@個(gè)吸收不一定發(fā)生，取決于原子吸收光子的能量后，能否跳到其他能級(jí)。

那么，什么是能級(jí)呢？

原子具有能量，這個(gè)能量包含原子整體（主要是原子核）的動(dòng)能、電子的動(dòng)能以及電子與原子核之間相互作用的能量。

原子整體的能量很大，除非高能光子，普通激光的能量不足以達(dá)到這個(gè)的級(jí)別，因此很難與之發(fā)生能量交換。就好像你丟一個(gè)乒乓球到一個(gè)鐵球上一樣，乒乓球直接被原速?gòu)椈兀F球還是兀自按原速運(yùn)動(dòng)。

電子就不一樣了，因?yàn)樗仍雍诵『芏?，沒(méi)那么高冷，光子的能量可以得到它的青睞。尤其是外層電子，由于受原子核約束較小，更容易與外來(lái)的光子發(fā)生作用。

換句話說(shuō)，電子幾乎接管了原子全部的對(duì)外交流活動(dòng)，外來(lái)的粒子如何被吸納或拒絕，都是由電子來(lái)決定的！這就是為什么我們說(shuō)原子態(tài)或原子能級(jí)時(shí)總是只討論電子的原因。

那么，是不是電子可以隨意地吸收各種不同能量的光子呢？

不行，電子身不由己??！由于量子力學(xué)的限制，電子只能在某些離散的軌道上運(yùn)動(dòng)，這使得它無(wú)法接受不滿足要求的能量。

電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，對(duì)某種原子來(lái)說(shuō)，電子可能的軌道是確定的。電子只能在這些軌道上運(yùn)動(dòng)，這就好像太陽(yáng)系一樣，那些行星只能在那些確定的軌道上運(yùn)動(dòng)，如果偏離一點(diǎn)，這個(gè)太陽(yáng)系可能就要崩潰了。

軌道 上的電子具有能量 ，離核越遠(yuǎn)時(shí)能量越高，反之越低。由于電子的軌道不連續(xù)，所以這個(gè)能量也是不連續(xù)的，這個(gè)能量就是原子的能級(jí)。

當(dāng)電子從低軌道 躍遷到高軌道 時(shí)，它要吸收相應(yīng)的能量

如果一群原子都處在 的態(tài)——基態(tài)，它們至少需要吸收

的能量，才能把電子激發(fā)到第2軌道。如果某光子的能量都達(dá)不到這個(gè)值，原子將不吸收該光子，原子的能量保持不變，當(dāng)然速度也就不變。

只有當(dāng)入射的光子提供的能量夠原子發(fā)生一個(gè)能級(jí)躍遷時(shí)，原子才會(huì)吸收光子，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，這將導(dǎo)致原子的速度發(fā)生變化。

好了，解決前面那個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的思路有了：只要想辦法讓迎著運(yùn)動(dòng)原子的光子能量大一點(diǎn)，而讓追著運(yùn)動(dòng)原子的光子的能量小一點(diǎn)就行了！

那么，這又該如何才能做到呢？

多普勒效應(yīng)來(lái)救場(chǎng)了！

我們有這樣的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)火車(chē)從遠(yuǎn)處駛過(guò)來(lái)的時(shí)候，它的鳴笛的聲調(diào)較高，而當(dāng)它遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，聲音就變得較為低沉。這就是聲音的多普勒效應(yīng)。

而光也有類(lèi)似的效應(yīng)，當(dāng)接收者與光源相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒所導(dǎo)致的接受頻率為

其中 為接收者與光源之間的相對(duì)速率。

可見(jiàn)，對(duì)迎著光運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，光的頻率大一些，所以能量高一些；而對(duì)與光同向運(yùn)動(dòng)的那些原子來(lái)說(shuō)，光的頻率小一些，所以能量低一些。

這樣一來(lái)，我們就有辦法了：

只要讓激光的頻率比原子能吸收的光子的頻率小一定的值即可！

具體來(lái)講就是，針對(duì)對(duì)要冷卻的原子調(diào)整激光的頻率到一個(gè)合適的值，使得迎著光運(yùn)動(dòng)的原子接受的光子的頻率滿足原子能級(jí)躍遷的要求，光子被吸收，原子的速度降低。

對(duì)于沿著光方向運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，由于多普勒效應(yīng)，光子的能量不夠激發(fā)電子到達(dá)更高的軌道，故原子就不吸收光子，避免了原子被加速。

如果從多個(gè)方向入射激光，無(wú)論原子朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，它總是吸收迎面而來(lái)的光子。因而在每個(gè)散射中，原子都會(huì)失去動(dòng)量而使速度降低。這些原子就好似處在“粘稠的糖漿”中，它們的運(yùn)動(dòng)不斷受到阻撓，直到幾乎靜止。

激光冷卻的實(shí)現(xiàn)有很多不同的技術(shù)，其中最重要的原理是多普勒效應(yīng)，因此激光冷卻也被稱(chēng)作多普勒冷卻。通過(guò)多普勒冷卻，人們成功將銣-85原子冷卻到150微開(kāi)的低溫。

在現(xiàn)代物理研究中，激光冷卻原子是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予科恩（Cohen-Tannoudji）、朱棣文（Steven Chu）和菲利普斯（Daniel Phillips），因?yàn)樗麄儼l(fā)展了“激光冷卻和捕獲原子的方法”。