最冷的原子

沈羨云

今年年初，美國太空網(wǎng)報道：空曠的太空極度寒冷，但“寒冷之最”的桂冠可能很快就將讓位于國際空間站?？茖W(xué)家們計劃在2016年將一個特殊的“原子冰柜”送到國際空間站。在空間微重力的特殊環(huán)境下，科學(xué)家可以用“原子冰柜”創(chuàng)造出溫度幾乎接近絕對零度（-273.15℃）的超低溫環(huán)境，從而得到超冷原子。這些原子將在沒有擾動的情況下自由漂浮，人們就可以用極高的靈敏度去測量原子間相互作用，從而發(fā)現(xiàn)有趣的新量子現(xiàn)象。

俘獲冷原子

要研究原子，首先要“抓住”原子。操縱和控制單個原子一直是物理學(xué)家追求的目標(biāo)。但是，原子像一些看不見、摸不著的“小精靈”，要“抓住”它們十分困難。固體和液體中的原子處于密集狀態(tài)中，分子和原子緊緊地靠在一起，很難將它們分離。氣體中的分子或原子不斷地進(jìn)行無規(guī)律的運動，而且它們“飛”得十分快，就是室溫空氣中的原子，其運動速度也趕上噴氣式飛機，達(dá)到每秒幾百米。即使有儀器能直接觀察到它們，它們也會飛快地從視場中消失，難以對它們進(jìn)行研究。要使原子“飛”得慢些，只有降低原子的溫度?？墒?，在降低溫度的過程中，還會出現(xiàn)其他問題：氣體一經(jīng)冷卻，就會先凝聚為液體，再凍結(jié)成固體。如果是在真空中冷凍，雖然可以降低原子的密度，避免凝聚和凍結(jié)，但即使低到-270℃，原子的速度也可達(dá)到每秒幾十米。只有在接近絕對零度時，原子才會較“老實”地呆在一個小的區(qū)域內(nèi)。

給原子降溫可不是一件容易的事。人們曾制造出-269℃的液氦，在此溫度下，金屬的電阻都會消失，出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象?？墒菍υ觼碚f，雖然“涼快”多了，也還不夠冷。傳統(tǒng)低溫技術(shù)可以制冷到10-3開爾文，冷是很冷了，但此時大部分物質(zhì)都變成了固體，無法保持觀測原子所必須的氣態(tài)。那么，用什么方法可以使原子接近絕對零度呢？

1975年，德國物理學(xué)家漢斯提出了一個設(shè)想，可以用激光降低原子的動能，從而給原子制冷。實現(xiàn)這個設(shè)想的是朱棣文的研究團隊。他們創(chuàng)造了一種“激光冷卻并囚禁原子的技術(shù)”，就是用激光把氣體冷卻，并把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類型的“原子陷阱”中。

有人會感到奇怪，為什么原子的“速度變慢”就會使原子降溫呢？這是因為我們所說的溫度，在物理學(xué)家看來，其實是描述了構(gòu)成物體的那些微觀粒子的運動狀態(tài)。粒子運動的平均速度越大，物體的溫度就越高；速度越低，溫度越低。熱力學(xué)溫度里的絕對零度，便是所有粒子運動速度為零時的溫度。這是一個極限溫度，沒有任何人可以實現(xiàn)真正的絕對零度，但科學(xué)家正在朝著這個方向一步一步邁進(jìn)，激光冷卻技術(shù)便是其中的關(guān)鍵一步。當(dāng)一團鈉原子氣體里的大部分原子被激光漸漸減速，氣體對應(yīng)的溫度也越來越低，這樣就實現(xiàn)了“降溫”的過程，最終可以達(dá)到接近絕對零度。

采用激光方法，原子是被冷卻了，但并沒有被完全俘獲。重力會幫助它們逃脫，只要1秒鐘，原子就會從光學(xué)黏膠中落下來。為了真正俘獲原子，就需要挖一個可以困住原子的陷阱。1987年，朱棣文團隊做成了一種“磁光陷阱”，它是在上述排列六束激光的基礎(chǔ)上，再加上兩個磁性線圈。這個磁場的磁力略微可變，磁力的最小值處于激光束相交的區(qū)域。磁場會產(chǎn)生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。這時原子雖然沒有真正被捉住，但卻被激光和磁場約束在一個很小的范圍里，科學(xué)家就可以在實驗中對原子進(jìn)行研究或利用。

這種技術(shù)是物理學(xué)家獲得超冷原子的經(jīng)典方法，也是人類有史以來第一次操控微觀粒子。朱棣文等也因為“發(fā)明了用激光冷卻和捕獲原子的方法”而獲得了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎 。如今通用的降溫辦法是把冷原子團置入“磁陷阱”或靠“光陷阱”蒸發(fā)的辦法把溫度降到絕對零度，從而獲取“人為制造宇宙中最冷物質(zhì)”的目的。利用這種技術(shù)，科學(xué)家就可以在實驗中對個別原子進(jìn)行極高精確度的研究，確定原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)“磁光陷阱”中陷俘的原子越來越多時，就組成了稀薄氣體，可以詳細(xì)研究其特性。

超冷原子用途多多

冷原子物理學(xué)只是物理學(xué)中的一個小小研究領(lǐng)域，現(xiàn)在卻受到科學(xué)界的重視，全球一批頂尖實驗室投入最優(yōu)秀的科學(xué)家和資金，在該領(lǐng)域研究中展開激烈競爭，這是冷原子物理領(lǐng)域的開創(chuàng)者們開始時想象不到的。因為超冷原子具有其他狀態(tài)的物質(zhì)（常溫原子）所沒有的優(yōu)勢，未來將對人類文明發(fā)展起到十分關(guān)鍵的作用。

冷原子研究打開了通向更深地了解氣體在低溫下量子物理行為的道路，除了有深遠(yuǎn)的理論研究和發(fā)現(xiàn)意義外，在實際應(yīng)用中也有深遠(yuǎn)的意義。一些新型材料、設(shè)備和儀器將在冷原子理論研究的指導(dǎo)下誕生。下面僅舉幾個例子說明。

當(dāng)堿金屬原子被大量冷卻到最低能態(tài)上，產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚時，這些最低能態(tài)原子會產(chǎn)生物質(zhì)波干涉。利用這個特性，可以研制出原子干涉儀，它可以有效地測量重力微小變化和引力波等等，這是未來航空航天技術(shù)必不可少的設(shè)備。

冷原子由于速度很慢，溫度很低，原子間的碰撞遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于熱原子，因此具有更精確的原子能級結(jié)構(gòu)和更窄的躍遷光譜。科學(xué)家利用這種特性，可以研制出新型的冷原子鐘，其精確度比現(xiàn)在最精確的原子鐘還要高百倍，對人類的時間標(biāo)準(zhǔn)和距離標(biāo)準(zhǔn)起到革命性的改進(jìn)，是未來全球定位系統(tǒng)和宇宙空間定位系統(tǒng)的核心技術(shù)。目前歐洲“伽利略”全球定位系統(tǒng)計劃逐步采用冷原子鐘，美國也計劃應(yīng)用冷原子鐘來大幅度改善GPS系統(tǒng)的性能。因此，冷原子鐘的研制有著極其深遠(yuǎn)的軍事和科技意義。

在微觀尺度上操縱原子和分子，按人類的意愿改變原子和分子間的排列組合，長久以來是人類的一個夢想。激光冷卻技術(shù)為我們實現(xiàn)這個夢想奠定了基礎(chǔ)。 例如，我們可以利用激光俘獲我們需要的原子，再用激光將其輸送到需要的地方，組合成新的分子或凝聚態(tài)物質(zhì)。我們甚至可以利用激光俘獲大生物分子如DNA等，取代某些原子，從而改善動物或人類的基因，這將引起分子生物學(xué)的一次重大革命。

【責(zé)任編輯】蒲 暉