說起制冷，大家都很熟悉，畢竟現(xiàn)在家家都有冰箱，人人都用空調(diào)；說起激光，我們也不陌生，即使沒有用過激光打印機(jī)，總該聽過激光唱片吧?？墒且f起激光制冷，就有點(diǎn)讓人糊涂了。怎么著？激光制冷？大冬天的我覺得冷了，可以到太陽(yáng)底下曬曬，這我懂，萬物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，光產(chǎn)生熱嘛?？墒谴笙奶斓奈矣X得熱了，想吃根冰棍，難道說拿杯水用手電筒照照它就凍成冰了嗎？不是忽悠人吧？

你別著急，這還真不是忽悠你。激光真的能制冷，而且冷得溫度低、冷得速度快，只是條件有些難，成本有點(diǎn)高，現(xiàn)在還只能在一些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)。

制冷很簡(jiǎn)單。人大多好逸惡勞，工作得累了，就不想動(dòng)了；氣體也是如此，對(duì)外做功會(huì)消耗它的能量，從而把溫度降下來。不管是空調(diào)還是冰箱，它們的工作原理都是這樣的：先用壓縮機(jī)把工作介質(zhì)（以前是氟利昂，現(xiàn)在為了保護(hù)大氣層中的臭氧，都改用無氟的工作氣體了）壓縮，這樣當(dāng)然會(huì)對(duì)氣體做功，使得氣體溫度升高了，但是沒關(guān)系，因?yàn)榭梢栽诠ぷ鳉怏w和外界環(huán)境之間建立起良好的熱接觸，把這些熱量傳遞給外界，這樣就得到了被壓縮的工作氣體；接下來，切斷壓縮氣體與外界的熱接觸，讓壓縮氣體突然膨脹，它就會(huì)對(duì)外做功，從而降低了自己的溫度；然后，在降溫后的工作氣體與需要冷卻的物體之間建立良好的熱接觸，物體的溫度就下降了，同時(shí)氣體的溫度上升了；最后，斷開工作氣體與待冷卻物體之間的熱接觸，再啟動(dòng)壓縮機(jī)，開始新的一輪循環(huán)。如此周而復(fù)始，冰箱溫度就降下來了，空調(diào)房間也變涼快了，當(dāng)然你也要付出代價(jià)：壓縮機(jī)變得很燙，另外你還要付電費(fèi)—天下沒有免費(fèi)的午餐，制冷也是如此。

激光也不難。激光也是光，但它是一種非常特殊的光。它是單色光，強(qiáng)度很大、方向性很好，用專業(yè)術(shù)語來說，激光是相干性非常好的光。光，我們都非常熟悉，但是日常生活中的光，不管是“三光者，日月星”里的太陽(yáng)光，還是“今夕復(fù)何夕，共此燈燭光”里的蠟燭光，它們都是非相干光。無論是相干光還是非相干光，它們都是因?yàn)槟芰扛叩脑釉谔降湍芰繝顟B(tài)時(shí)發(fā)出了光子，只是它們?cè)诎l(fā)射節(jié)奏上有巨大的差別：對(duì)于非相干光的光源來說，大量的原子都處于無政府狀態(tài)，大家都自行其是，愛干什么就干什么，誰也管不著誰，這樣一來，發(fā)出的光不僅波長(zhǎng)（也就是能量）不同，方向性各異，而且位相也不一樣，也就是說，干什么都踩不到同一個(gè)步點(diǎn)兒上，雖然看起來光彩奪目，但有時(shí)候就是干不成大事兒；相干光的光源則完全不同，它們認(rèn)為“人心齊，泰山移”，堅(jiān)信“加強(qiáng)紀(jì)律性，革命無不勝”，先是把設(shè)法把大家伙都聚集在準(zhǔn)備發(fā)射的狀態(tài)下（專業(yè)術(shù)語叫作“在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”），然后一聲令下“要有光”，大家就一起發(fā)光，所以，激光不僅波長(zhǎng)單一、方向一致，就連步調(diào)都是一模一樣的——都和觸發(fā)激射的那個(gè)光子一樣（這就是激光這個(gè)名字的來源，“受激輻射導(dǎo)致的光放大過程”）。兩千多年前，當(dāng)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的諸子百家們爭(zhēng)論“性本善”還是“性本惡”的時(shí)候，有位告子先生就說了：“性猶湍水也。決諸東方則東流，決諸西方則西流?！睕]想到啊沒想到，這個(gè)說法居然應(yīng)驗(yàn)在兩千年后的激光身上——激光就是這樣一種隨大流的家伙，只要有人帶個(gè)頭，大家就跟著跑。

可是，激光制冷就有些難了。但是，激光制冷難就難在具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它的工作原理還是很簡(jiǎn)單的。

還是從氣體說起吧。氣體是由大量的原子（或分子）構(gòu)成的，每個(gè)原子都自由自在地東奔西走——實(shí)際上它們個(gè)個(gè)都是愣頭青，不撞南墻不回頭的主兒，直到與其他原子相遇才會(huì)因?yàn)榕鲎捕淖冏约旱倪\(yùn)動(dòng)方向。氣體的溫度就反映在這些原子的平均速度上，平均速度越快，氣體的溫度就越高，因此，冷卻氣體的過程就是設(shè)法降低原子平均速度的過程。但是，采用一般方法降溫的時(shí)候，由于原子間有相互作用，當(dāng)速度越來越慢的原子們碰到一起的時(shí)候，它們就舍不得離開了，彼此抱團(tuán)取暖，就變成了液體、進(jìn)而變成了固體。對(duì)于液體和固體的降溫，我們現(xiàn)在并沒有太好的辦法，最低也只能降低到 1mK 左右，也就是絕對(duì)零度以上千分之一度的水平，而絕對(duì)零度指的是所有的粒子全都一動(dòng)不動(dòng)的理想狀態(tài)（讓我們暫時(shí)忘掉量子力學(xué)吧），這聽起來是很低的溫度，但是，科學(xué)家們總是得隴望蜀，總是希望能夠得到更低的溫度，比如說，萬分之一度，甚至百萬分之一度。怎么辦？

怎么辦？簡(jiǎn)單極了——分而治之就可以了。把原子氣體放在非常稀薄的真空里，原子氣體的密度大大降低，原子之間的距離非常遠(yuǎn)，原子的數(shù)目非常少，這樣它們就再也見不了面了。然后再一個(gè)一個(gè)地把它們的速度降下來，整個(gè)系統(tǒng)也就冷下來了。可是，怎么把單個(gè)原子冷下來呢？對(duì)了，您猜對(duì)了，我們用激光，這就是激光冷卻。

原子并不是個(gè)實(shí)心球，它有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由原子核和核外電子構(gòu)成的，它有內(nèi)部的自由度。原子既可以吸收光，也可以發(fā)射光，這兩種過程分別對(duì)應(yīng)著原子里的電子跳到更高的能量狀態(tài)里（吸收能量）或者從更高的能量狀態(tài)里跳下來（放出能量）。對(duì)于特定的原子來說，它只能夠吸收和發(fā)射特定波長(zhǎng)的光（為了便于陳述，我們把相應(yīng)光子的能量稱為 E₀），如果光子的能量與 E₀ 相差不遠(yuǎn)，也能湊合著對(duì)付過去，如果差得太遠(yuǎn)，那也就愛莫能助了——簡(jiǎn)單吧，可是激光制冷靠的就是這么簡(jiǎn)單的一件事?，F(xiàn)在考慮一個(gè)原子，它正頭腦發(fā)熱，像一匹脫韁野馬一樣在一望無際的大草原上奔馳，對(duì)不起，錯(cuò)了，在空無一物的真空里奔跑，我們?cè)趺窗阉乃俣冉迪聛恚繉?duì)了，用激光迎著它照過去。竅門在于，激光光子的能量要比 E₀ 小一點(diǎn)，原子要想吸收這個(gè)光子，就要給些好處，賠上一點(diǎn)自己的動(dòng)能，把這個(gè)差價(jià)補(bǔ)齊了。更專業(yè)一點(diǎn)的說法是，迎著光前進(jìn)的原子看到光的頻率增大了（多普勒效應(yīng)，類似于聲學(xué)中的多普勒效應(yīng)：迎面奔馳而來的火車的嘯聲要尖銳些，而遠(yuǎn)離的嘯聲則要舒緩些），就可以滿足吸收所需要的能量條件了。當(dāng)然，吸收了光子以后，原子的總能量變大了，它也不能總在那里挺著啊，早晚還要發(fā)出光子、重新回到低能量的狀態(tài)，那么是不是就得而復(fù)失、一切都白干了呢？不是的。原因在于，吸收和發(fā)射的過程并不完全一樣：吸收的光子來自于一個(gè)固定的方向，而發(fā)射的光子則跑向四面八方（用專業(yè)術(shù)語來說，發(fā)射過程中仍然是自發(fā)輻射過程為主），平均下來，經(jīng)過一次吸收—發(fā)射過程，原子就要損失掉一點(diǎn)速度，經(jīng)過很多次以后，原子速度就降為零了。當(dāng)然，原子的運(yùn)動(dòng)方向可不止一個(gè)，必須把所有三個(gè)方向的速度都減小，才能把原子的溫度降下來。解決的辦法就是采用六束激光，彼此垂直、兩兩相對(duì)地照射在一個(gè)很小的區(qū)域上，從前后、左右、上下所有方向徹底封住原子的去路，把它們來一個(gè)逮一個(gè)、來兩個(gè)逮一雙，形成一個(gè)溫度很低、原子數(shù)目很多的“光學(xué)黏團(tuán)”（這個(gè)名字的來歷是，光學(xué)方法冷卻的原子在那里晃晃悠悠地踱來踱去，就像一團(tuán)粘糊糊的糨糊似的）。溫度有多低呢？絕對(duì)零度以上萬分之一度，采用更先進(jìn)些的措施還可以達(dá)到更低的溫度，百萬分之一度或更低的溫度。數(shù)目有多大呢？成千上萬，甚至幾百萬個(gè)——聽起來挺可怕的，但是要記住，我們現(xiàn)在談?wù)摰氖窃樱瑤装偃f個(gè)原子可真算不上很多，還夠不上塞牙縫呢。冷卻的速度多快呢？這個(gè)可真快，只用一眨眼的時(shí)間，絕對(duì)不到一秒鐘的工夫，小火爐變冰棍，原子一下子就從室溫左右降低到宇宙中前所未有的低溫了。

神奇啊，激光制冷可真棒啊，可是它有什么用嗎？當(dāng)然很有用了。你想想，幾百萬個(gè)原子乖乖地呆在那里，個(gè)個(gè)都懶洋洋的不動(dòng)彈，你想怎么修理它們就怎么修理，那么就可以干很多事情了。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子吧，利用激光制冷的原子，可以做成最準(zhǔn)確的時(shí)鐘，相對(duì)誤差只有 10^-17 秒的時(shí)鐘，也就是說，如果用這塊表從宇宙誕生的那一刻（記得吧？宇宙大爆炸：砰的一聲巨響，宇宙就誕生了?。╅_始計(jì)時(shí)，那么到現(xiàn)在的誤差也不過只有幾秒鐘而已。利用這么精準(zhǔn)的時(shí)鐘，我們甚至可以檢驗(yàn)物理規(guī)律是否隨著宇宙的演化而發(fā)生變化；至于日常生活中的計(jì)時(shí)、點(diǎn)卯，北斗系統(tǒng)的定位、尋人，更是個(gè)個(gè)都離不開精準(zhǔn)的時(shí)鐘。

原子的激光制冷相對(duì)比較簡(jiǎn)單，分子就比較難一些，液體和固體就更難了，因?yàn)楹笳叩慕M分之間有著很強(qiáng)的相互作用?，F(xiàn)在，人們還只能利用激光冷卻技術(shù)冷卻一些原子啦、分子啦，最多也不過冷卻一個(gè)幾十微米大的小鏡子（已經(jīng)很了不起了，大約包含了 10¹⁴ 個(gè)原子，彼此之間的相互作用還很強(qiáng)）。有些科學(xué)家正在研究用激光來冷卻大塊材料的方法。也許將來會(huì)有一天，當(dāng)你覺得天氣太熱的時(shí)候，只要跑到太陽(yáng)下面曬一曬，就會(huì)冷靜下來了！