最冷的原子

沈羡云

今年年初，美国太空网报道：空旷的太空极度寒冷，但“寒冷之最”的桂冠可能很快就将让位于国际空间站。科学家们计划在2016年将一个特殊的“原子冰柜”送到国际空间站。在空间微重力的特殊环境下，科学家可以用“原子冰柜”创造出温度几乎接近绝对零度（-273.15℃）的超低温环境，从而得到超冷原子。这些原子将在没有扰动的情况下自由漂浮，人们就可以用极高的灵敏度去测量原子间相互作用，从而发现有趣的新量子现象。

俘获冷原子

要研究原子，首先要“抓住”原子。操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标。但是，原子像一些看不见、摸不着的“小精灵”，要“抓住”它们十分困难。固体和液体中的原子处于密集状态中，分子和原子紧紧地靠在一起，很难将它们分离。气体中的分子或原子不断地进行无规律的运动，而且它们“飞”得十分快，就是室温空气中的原子，其运动速度也赶上喷气式飞机，达到每秒几百米。即使有仪器能直接观察到它们，它们也会飞快地从视场中消失，难以对它们进行研究。要使原子“飞”得慢些，只有降低原子的温度。可是，在降低温度的过程中，还会出现其他问题：气体一经冷却，就会先凝聚为液体，再冻结成固体。如果是在真空中冷冻，虽然可以降低原子的密度，避免凝聚和冻结，但即使低到-270℃，原子的速度也可达到每秒几十米。只有在接近绝对零度时，原子才会较“老实”地呆在一个小的区域内。

给原子降温可不是一件容易的事。人们曾制造出-269℃的液氦，在此温度下，金属的电阻都会消失，出现超导现象。可是对原子来说，虽然“凉快”多了，也还不够冷。传统低温技术可以制冷到10-3开尔文，冷是很冷了，但此时大部分物质都变成了固体，无法保持观测原子所必须的气态。那么，用什么方法可以使原子接近绝对零度呢？

1975年，德国物理学家汉斯提出了一个设想，可以用激光降低原子的动能，从而给原子制冷。实现这个设想的是朱棣文的研究团队。他们创造了一种“激光冷却并囚禁原子的技术”，就是用激光把气体冷却，并把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中。

有人会感到奇怪，为什么原子的“速度变慢”就会使原子降温呢？这是因为我们所说的温度，在物理学家看来，其实是描述了构成物体的那些微观粒子的运动状态。粒子运动的平均速度越大，物体的温度就越高；速度越低，温度越低。热力学温度里的绝对零度，便是所有粒子运动速度为零时的温度。这是一个极限温度，没有任何人可以实现真正的绝对零度，但科学家正在朝着这个方向一步一步迈进，激光冷却技术便是其中的关键一步。当一团钠原子气体里的大部分原子被激光渐渐减速，气体对应的温度也越来越低，这样就实现了“降温”的过程，最终可以达到接近绝对零度。

采用激光方法，原子是被冷却了，但并没有被完全俘获。重力会帮助它们逃脱，只要1秒钟，原子就会从光学黏胶中落下来。为了真正俘获原子，就需要挖一个可以困住原子的陷阱。1987年，朱棣文团队做成了一种“磁光陷阱”，它是在上述排列六束激光的基础上，再加上两个磁性线圈。这个磁场的磁力略微可变，磁力的最小值处于激光束相交的区域。磁场会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。这时原子虽然没有真正被捉住，但却被激光和磁场约束在一个很小的范围里，科学家就可以在实验中对原子进行研究或利用。

这种技术是物理学家获得超冷原子的经典方法，也是人类有史以来第一次操控微观粒子。朱棣文等也因为“发明了用激光冷却和捕获原子的方法”而获得了1997年的诺贝尔物理学奖 。如今通用的降温办法是把冷原子团置入“磁陷阱”或靠“光陷阱”蒸发的办法把温度降到绝对零度，从而获取“人为制造宇宙中最冷物质”的目的。利用这种技术，科学家就可以在实验中对个别原子进行极高精确度的研究，确定原子内部结构。当“磁光陷阱”中陷俘的原子越来越多时，就组成了稀薄气体，可以详细研究其特性。

超冷原子用途多多

冷原子物理学只是物理学中的一个小小研究领域，现在却受到科学界的重视，全球一批顶尖实验室投入最优秀的科学家和资金，在该领域研究中展开激烈竞争，这是冷原子物理领域的开创者们开始时想象不到的。因为超冷原子具有其他状态的物质（常温原子）所没有的优势，未来将对人类文明发展起到十分关键的作用。

冷原子研究打开了通向更深地了解气体在低温下量子物理行为的道路，除了有深远的理论研究和发现意义外，在实际应用中也有深远的意义。一些新型材料、设备和仪器将在冷原子理论研究的指导下诞生。下面仅举几个例子说明。

当碱金属原子被大量冷却到最低能态上，产生玻色-爱因斯坦凝聚时，这些最低能态原子会产生物质波干涉。利用这个特性，可以研制出原子干涉仪，它可以有效地测量重力微小变化和引力波等等，这是未来航空航天技术必不可少的设备。

冷原子由于速度很慢，温度很低，原子间的碰撞远远少于热原子，因此具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱。科学家利用这种特性，可以研制出新型的冷原子钟，其精确度比现在最精确的原子钟还要高百倍，对人类的时间标准和距离标准起到革命性的改进，是未来全球定位系统和宇宙空间定位系统的核心技术。目前欧洲“伽利略”全球定位系统计划逐步采用冷原子钟，美国也计划应用冷原子钟来大幅度改善GPS系统的性能。因此，冷原子钟的研制有着极其深远的军事和科技意义。

在微观尺度上操纵原子和分子，按人类的意愿改变原子和分子间的排列组合，长久以来是人类的一个梦想。激光冷却技术为我们实现这个梦想奠定了基础。 例如，我们可以利用激光俘获我们需要的原子，再用激光将其输送到需要的地方，组合成新的分子或凝聚态物质。我们甚至可以利用激光俘获大生物分子如DNA等，取代某些原子，从而改善动物或人类的基因，这将引起分子生物学的一次重大革命。

【责任编辑】蒲 晖