为什么激光可以把原子冷却到接近绝对零度？#烧脑 #科普 #量子 #物理

激光冷却：接近绝对零度的方法与原理

温度的微观本质

温度是描述微观粒子运动剧烈程度的参数：粒子运动越剧烈，温度越高；粒子运动越慢，温度越低。绝对零度（-273.15℃，0开尔文）是理论上粒子达到能量最低状态的温度，此时粒子运动趋于静止，但由于量子力学效应，绝对零度只能无限逼近而无法达到。例如，室温（20℃）下气体粒子运动速度约为100米/秒（与飞机速度相当），冷却过程即降低粒子运动速度。

激光冷却的低温成就

人类目前通过激光冷却获得的最低温度可达1纳开尔文（1 nK），这一温度比宇宙中最冷的星际尘埃温度还低一百万倍。为直观理解其低温程度，若将绝对零度刻度设在上海，0℃刻度在北京（约1000公里距离），则1纳开尔文的刻度仅距离上海绝对零度刻度1微米。在如此低温下，原子行为需用量子理论描述，典型物质形态为2001年诺贝尔物理学奖成果——玻色-爱因斯坦凝聚态。

多普勒冷却原理

原子能级基础

原子由带正电的原子核与核外电子构成，因量子力学不确定性原理，原子核与电子存在量子震颤运动（Zitterbewegung），导致原子能量只能取分立值（能级）。原子吸收特定频率光子后会从低能级跃迁到高能级（激发态），激发态原子寿命有限，会自发辐射光子并跃迁回低能级。原子跃迁谱线的自然线宽由激发态寿命决定：寿命越短，谱线越宽；寿命越长，谱线越窄。

多普勒效应与激光失谐

激光冷却的核心是通过激光与原子相互作用降低原子速度。采用“红色失谐”激光（频率略低于原子跃迁频率），结合光的多普勒效应实现定向减速：

• 当原子向激光传播方向运动时，多普勒效应使原子接收到的激光频率升高，恰好达到共振吸收频率，原子吸收光子后因光子反冲（光压）减速；
• 当原子背离激光运动时，多普勒效应使激光频率更低，无法共振吸收，不被减速。

多方向激光作用

为实现三维空间内原子减速，实验中采用六束激光（沿x、y、z轴正负方向），从各方向对原子施加光压，将原子速度锁定在零附近，从而降低气体整体温度。

多普勒冷却的温度极限

多普勒冷却存在温度极限（多普勒极限），由原子跃迁谱线的自然线宽决定。当原子吸收光子减速后，会通过自发辐射随机发射光子，产生微小加热效应，冷却与加热达到平衡时即达到极限温度。例如，谱线宽度为兆赫兹量级的原子，多普勒极限约为50微开尔文（50 μK）。尽管多普勒冷却无法达到绝对零度，但更复杂的激光冷却方法可进一步逼近这一极限。