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,，總該聽過激光唱片吧?？墒且f起激光制冷,，就有點讓人糊涂了。怎么著,？激光制冷,？大冬天的我覺得冷了，可以到太陽底下曬曬,，這我懂,，萬物生長靠太陽,，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,，成本有點高，現(xiàn)在還只能在一些先進的實驗室里實現(xiàn),。

制冷很簡單,。人大多好逸惡勞，工作得累了,，就不想動了,；氣體也是如此，對外做功會消耗它的能量,，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：先用壓縮機把工作介質(zhì)（以前是氟利昂,，現(xiàn)在為了保護大氣層中的臭氧,，都改用無氟的工作氣體了）壓縮，這樣當然會對氣體做功,，使得氣體溫度升高了,，但是沒關(guān)系，因為可以在工作氣體和外界環(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，它就會對外做功,，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,，再啟動壓縮機,，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，當然你也要付出代價：壓縮機變得很燙,，另外你還要付電費—天下沒有免費的午餐,，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，它們都是因為能量高的原子在跳到低能量狀態(tài)時發(fā)出了光子,，只是它們在發(fā)射節(jié)奏上有巨大的差別：對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（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步點兒上,，雖然看起來光彩奪目，但有時候就是干不成大事兒,；相干光的光源則完全不同,，它們認為“人心齊，泰山移”,，堅信“加強紀律性,，革命無不勝”，先是把設(shè)法把大家伙都聚集在準備發(fā)射的狀態(tài)下（專業(yè)術(shù)語叫作“在系統(tǒng)中實現(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)激射的那個光子一樣（這就是激光這個名字的來源,，“受激輻射導(dǎo)致的光放大過程”）,。兩千多年前，當春秋戰(zhàn)國時期的諸子百家們爭論“性本善”還是“性本惡”的時候,，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，這個說法居然應(yīng)驗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驗技術(shù),，它的工作原理還是很簡單的,。

還是從氣體說起吧。氣體是由大量的原子（或分子）構(gòu)成的,，每個原子都自由自在地東奔西走——實際上它們個個都是愣頭青,，不撞南墻不回頭的主兒，直到與其他原子相遇才會因為碰撞而改變自己的運動方向,。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候,，由于原子間有相互作用，當速度越來越慢的原子們碰到一起的時候,，它們就舍不得離開了,，彼此抱團取暖,，就變成了液體、進而變成了固體,。對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,，也就是絕對零度以上千分之一度的水平,，而絕對零度指的是所有的粒子全都一動不動的理想狀態(tài)（讓我們暫時忘掉量子力學吧），這聽起來是很低的溫度,，但是,，科學家們總是得隴望蜀，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,，原子的數(shù)目非常少，這樣它們就再也見不了面了,。然后再一個一個地把它們的速度降下來,，整個系統(tǒng)也就冷下來了?？墒?，怎么把單個原子冷下來呢？對了,，您猜對了,，我們用激光，這就是激光冷卻,。

原子并不是個實心球,，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）,。對于特定的原子來說,，它只能夠吸收和發(fā)射特定波長的光（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,，也能湊合著對付過去，如果差得太遠,，那也就愛莫能助了——簡單吧,，可是激光制冷靠的就是這么簡單的一件事。現(xiàn)在考慮一個原子,，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，對不起,，錯了,，在空無一物的真空里奔跑，我們怎么把它的速度降下來,？對了,，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,，原子要想吸收這個光子，就要給些好處,，賠上一點自己的動能,，把這個差價補齊了。更專業(yè)一點的說法是,，迎著光前進的原子看到光的頻率增大了（多普勒效應(yīng),，類似于聲學中的多普勒效應(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速度,，經(jīng)過很多次以后，原子速度就降為零了,。當然,，原子的運動方向可不止一個，必須把所有三個方向的速度都減小,，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,、兩兩相對地照射在一個很小的區(qū)域上,，從前后、左右,、上下所有方向徹底封住原子的去路,，把它們來一個逮一個、來兩個逮一雙,，形成一個溫度很低,、原子數(shù)目很多的“光學黏團”（這個名字的來歷是，光學方法冷卻的原子在那里晃晃悠悠地踱來踱去,，就像一團粘糊糊的糨糊似的）。溫度有多低呢,？絕對零度以上萬分之一度,，采用更先進些的措施還可以達到更低的溫度，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——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,？這個可真快，只用一眨眼的時間,，絕對不到一秒鐘的工夫,，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,？當然很有用了,。你想想，幾百萬個原子乖乖地呆在那里,，個個都懶洋洋的不動彈,，你想怎么修理它們就怎么修理，那么就可以干很多事情了,。舉個簡單的例子吧,，利用激光制冷的原子，可以做成最準確的時鐘,，相對誤差只有 10^-17 秒的時鐘,，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！）開始計時,，那么到現(xiàn)在的誤差也不過只有幾秒鐘而已,。利用這么精準的時鐘，我們甚至可以檢驗物理規(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時,、點卯，北斗系統(tǒng)的定位,、尋人,，更是個個都離不開精準的時鐘。

原子的激光制冷相對比較簡單,，分子就比較難一些,，液體和固體就更難了，因為后者的組分之間有著很強的相互作用?，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幾十微米大的小鏡子（已經(jīng)很了不起了,，大約包含了 10¹⁴ 個原子,，彼此之間的相互作用還很強）。有些科學家正在研究用激光來冷卻大塊材料的方法,。也許將來會有一天,，當你覺得天氣太熱的時候，只要跑到太陽下面曬一曬,，就會冷靜下來了,！