煎蛋科学第14期：激光制冷-温度探索（中）

第14期，2018年11月18日，温度探索（中）：激光制冷

我们继续来讲温度探索。上一期节目中我们讲了，通过一系列对制冷剂的加压液化和减压气化这样的热力学循环，空调和冰箱可以实现制冷。但是这种制冷有一个极限，就是液氦。氦气是我们已知的沸点最低的气体，通过这种的压缩制冷剂的方法液化了氦气之后，达到了零下271摄氏度，也就是2开氏度左右，就再也降不下去了。那怎么办呢？

用激光。第一个实现这种超低温的是一位华人，他就是奥巴马执政时期的美国能源部长，97年诺贝尔物理学奖得主，朱棣文。每次听到这个名字我都在想，他和明成祖朱棣有没什么关系，毕竟朱棣在江苏南京当皇帝，朱棣文祖籍也是江苏。朱棣文在贝尔实验室的时候就开始研究冷原子。我们上一期讲过，所谓温度，实际上衡量的是微观粒子比如分子和原子的热运动。因为热运动，原子本身是活蹦乱跳的，如果能有一种方法固定住原子，岂不是就把原子的热运动降到了最低，也就是达到了绝对零度吗？1985年，朱棣文使用了6束激光，三维6个方向一个方向一束，限制了大概100万个钠原子的运动（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/press-release/）。这种方法也叫做多普勒冷却，因为这种方法利用了多普勒效应。什么是多普勒效应呢？简单说就是波源和观察者相向运动时，观察者感受到的频率要比波源发出的频率更大，反之更小。你在街上走，前面一辆救火车响着警报朝你的方向开过来，你会觉得警报声有点跑调，声音变高了，当救火车超过你离你远去的时候，你又会觉得警报声音变低了，你还以为是警报器没电了。。。实际上这就是多普勒效应。声音就是振动波，我们平时说话唱歌的声音高低，实际上指的就是振动的频率，比如C调，do的频率，261.6Hz，si的频率是493.8Hz。每高八度，频率就是2倍。朱棣文在实验中使用的激光，频率是经过精妙设计的，频率比钠原子的共振频率稍微低一点。这样在这个实验中，迎着激光走的原子，感受到的频率实际上比光子震动频率要高，达到共振频率于是吸收光子，这个过程叫做共振吸收。在很短的时间通常是几十纳秒以内，原子会放出一个光子。因为吸收的光子有特定方向，而放出的却没有，所以原子会被光束减速。有人会说说这原子有毛病吧，吸收了光子又马上放出来。。。人看到好吃也得吃，第二天也得排泄，原子这么做有啥毛病吗？原子的正常热运动大概是以1公里每秒的速度四处乱跑，几十纳秒内，原子能跑了0.01毫米，跑了不到一根头发的粗细。可别小看这0.01毫米，原子的半径大概100皮米，如果把原子放大到人的大小，那这相当于跑了十万米，原子每天吃完跑两个马拉松再排泄，这生活不比人健康多了。

但是这个过程是有极限的，因为激光对任何东西都有加热效果，加热效果和降温效果一抵消，降到240微开氏度的时候，就再也降不下去了。这也差不多是理论计算的多普勒极限。240微开氏度，什么概念呢？0.00024开氏度。这温度在一般人看来，这不跟0度一样吗？其实对于物理学家来说，这个温度对应的原子运动速度是25cm/s，在激光聚焦的中心，这一团原子像一种很粘稠的液体一样继续流动着。物理学界又开始琢磨了，这原子还在动，能不能让他们不动呢？第二位获得97年物理奖的科学家威廉菲利普斯在激光制冷的基础上加入了磁场，成功将这个温度降到了40微开氏度。这个温度已经比多普勒极限低了6倍了。菲利普斯的思路实际上是将两种不同的方法组合使用，有点像药物协同作用，当病人对一种抗生素产生耐药性时，使用两种不同的有协同作用的抗生素会有更好效果。

菲利普斯的这个实验，也存在一个理论极限，那就是后坐力极限。原子要发射一个光子出去，必然有后坐力，这个原理跟射击一样。由于原子比光子大很多，所以这个后坐力不大，但是也不能忽略。由于这个后坐力的存在，菲利普斯的方法能够获得的钠原子的最小温度是2.4微开氏度。于是科学家又开始研究，能不能让已经很慢的原子不要再吸收和发射光子？第三位共享97年物理奖的科学家科恩塔诺基就解决了这个问题。科恩塔诺基使用了一种叫做coherent population trapping（CPT）的技术让这些很慢的原子进入了一个黑暗状态（dark state），能级之间不再耦合，不再吸收和发射光子。用这种方法，他成功的将原子降到了0.2微开氏度，原子团的速度仅仅2cm/s。科恩塔诺基的方法，理论上是不存在任何极限的，也就是说，我们可以无限逼近绝对零度。于是后面的人们通过改进他们的方法，慢慢逼近绝对零度，目前最低的温度是0.1纳开氏度（https://ltl.tkk.fi/wiki/LTL/World_record_in_low_temperatures），是由几位北欧科学家一起创造的，比之前的0.2微开氏度又低了2000倍。

当然，其实在我们逼近绝对零度的同时，还有一帮科学家在研究如何创造负绝对温度。2013年一篇顶级期刊科学上的文章（PMID: 23288533）就已经展示了一个负温度系统。当然，这里的负的绝对温度实际上是源于一个热力学的定义，温度实际上是能量变化和熵变化的比值，我们熟知的大多数系统，都是熵随能量增加而增加，所以温度是正的，而有些量子系统却有熵增加而能量减小的现象，因此得到了负绝对温度。因为这是一个我们几乎不会有接触的系统，所以我们对低温的讨论还是限制在正绝对温度。在正温度中，低温的应用是很多的，除了我们降到的低温物理，在生物医疗中应用的还有冷冻电镜和低温繁殖。今天的节目就到这里，今天我们讲的是温度探索系列的中期，下期我们会讲这个系列的最后一期，欢迎大家收听，我们下期再见！