光量子的概念

物質(zhì)內(nèi)的原子或分子都在永不停歇的做無規(guī)則熱運動，這種運動的劇烈程度由系統(tǒng)的溫度來描述。運動越劇烈，則溫度越高，反之溫度越低。

這種關(guān)系具體可表示為

左邊就是粒子質(zhì)心運動的平均動能，右邊的 叫做玻爾茲曼常數(shù)，而 是采用絕對溫標表示的溫度。

該規(guī)律告訴我們，要想讓物體的溫度降下來，只要讓它里面的原子的運動盡可能慢下來就行了。

這讓人不禁想起一句中國俗語：心靜自然涼。意思是說，當你靜下來的時候，自然就感覺涼快了。而詞語“冷靜”更是刻畫到位——冷與靜就是天生一對。

溫度本身是一個統(tǒng)計平均量，這種統(tǒng)計平均只有針對大量粒子才有意義。因此，只有大量原子才具有溫度，少數(shù)個原子是不存在溫度的。

但既然原子質(zhì)心運動的平均動能與溫度等價，人們習慣將原子“運動慢”說成“溫度低”，而將“讓原子靜下來”這件事說成“冷卻原子”，即使此時原子寥寥無幾。

一般情況下，原子總在運動，就像蹦來蹦去的淘氣鬼。

然而，對很多科學研究來說，例如像原子鐘、光譜測量技術(shù)以及觀察物質(zhì)的新形態(tài)——玻色愛因斯坦凝聚（BEC）等，讓原子最大限度的冷靜下來，是很重要的。

那么，有什么辦法能讓原子靜下來呢？

有?。〗禍貑h，采用各種低溫技術(shù)就可以啊！只要讓原子所處環(huán)境溫度足夠低，原子都被凍住了，也沒力氣再動來動去了。

可是，要真正讓原子冷靜下來，溫度需要接近絕對零度才可以，而一般的低溫技術(shù)根本達不到這個要求。

那該怎么辦呢？

你知道，若想讓河水停下來，筑壩攔住就行了。

但是原子的運動是雜亂無章的，方向各異，速度有快有慢。要使它們慢下來，不可能對原子集體作用，作用必須到原子個體上。正如你想摧毀戰(zhàn)場上那混亂的敵軍戰(zhàn)車，你能做的就是瞄準它們各個擊破。

但原子非常小，有什么精細的武器能將作用準確施加到原子個體上呢？

不錯，光能干這事！

光雖然是照在原子上集體上，但各個光子就像射彈一樣精準的打在各個原子上，保證作用到位。

打個比方，原子就好比是馬路上行駛的汽車，而光子就像是迎著汽車飛過去的石頭。根據(jù)動量守恒定律，就像汽車不斷被迎頭擊中而降速一樣，原子也會因為不斷受到光子的沖撞而逐漸慢下來。

但問題是，入射的光可能會讓迎面而來的原子減速，但同樣也會讓那些與光子速度同向的原子加速。并且可以想見，原子被光子碰撞而加速和減速的機會應(yīng)該是一樣多！所以無法為原子降速。

看來，想要實現(xiàn)給原子降速的目的，必須要解決的關(guān)鍵問題是：如何做到只讓迎著光的原子被光子撞擊，而避免沿著光的方向運動的原子被光子推動呢？

要回答這個問題，就得看光子碰到原子會發(fā)生什么。

這得首先從光量子的概念說起。

電磁波在碰到其他微粒時，看起來就像一個彈性小球，它們的能量和動量分別為

對一般的普通光源來說，頻率 不是唯一的。所以對一般的光來說，光子的能量各不相同。

激光是一種相干光，它的方向性好，而且有很好的單色性，可近似被認為只有一個頻率，每個光子都具有相同的能量。

光子碰到原子時，它可能被原子吸收——之所以說可能，是因為這個吸收不一定發(fā)生，取決于原子吸收光子的能量后，能否跳到其他能級。

那么，什么是能級呢？

原子具有能量，這個能量包含原子整體（主要是原子核）的動能、電子的動能以及電子與原子核之間相互作用的能量。

原子整體的能量很大，除非高能光子，普通激光的能量不足以達到這個的級別，因此很難與之發(fā)生能量交換。就好像你丟一個乒乓球到一個鐵球上一樣，乒乓球直接被原速彈回，鐵球還是兀自按原速運動。

電子就不一樣了，因為它比原子核小很多，沒那么高冷，光子的能量可以得到它的青睞。尤其是外層電子，由于受原子核約束較小，更容易與外來的光子發(fā)生作用。

換句話說，電子幾乎接管了原子全部的對外交流活動，外來的粒子如何被吸納或拒絕，都是由電子來決定的！這就是為什么我們說原子態(tài)或原子能級時總是只討論電子的原因。

那么，是不是電子可以隨意地吸收各種不同能量的光子呢？

不行，電子身不由己啊！由于量子力學的限制，電子只能在某些離散的軌道上運動，這使得它無法接受不滿足要求的能量。

電子繞原子核運動，對某種原子來說，電子可能的軌道是確定的。電子只能在這些軌道上運動，這就好像太陽系一樣，那些行星只能在那些確定的軌道上運動，如果偏離一點，這個太陽系可能就要崩潰了。

軌道 上的電子具有能量 ，離核越遠時能量越高，反之越低。由于電子的軌道不連續(xù)，所以這個能量也是不連續(xù)的，這個能量就是原子的能級。

當電子從低軌道 躍遷到高軌道 時，它要吸收相應(yīng)的能量

如果一群原子都處在 的態(tài)——基態(tài)，它們至少需要吸收

的能量，才能把電子激發(fā)到第2軌道。如果某光子的能量都達不到這個值，原子將不吸收該光子，原子的能量保持不變，當然速度也就不變。

只有當入射的光子提供的能量夠原子發(fā)生一個能級躍遷時，原子才會吸收光子，根據(jù)動量守恒定律，這將導致原子的速度發(fā)生變化。

好了，解決前面那個關(guān)鍵問題的思路有了：只要想辦法讓迎著運動原子的光子能量大一點，而讓追著運動原子的光子的能量小一點就行了！

那么，這又該如何才能做到呢？

多普勒效應(yīng)來救場了！

我們有這樣的經(jīng)驗，當火車從遠處駛過來的時候，它的鳴笛的聲調(diào)較高，而當它遠離我們而去時，聲音就變得較為低沉。這就是聲音的多普勒效應(yīng)。

而光也有類似的效應(yīng)，當接收者與光源相對運動時，多普勒所導致的接受頻率為

其中 為接收者與光源之間的相對速率。

可見，對迎著光運動的原子來說，光的頻率大一些，所以能量高一些；而對與光同向運動的那些原子來說，光的頻率小一些，所以能量低一些。

這樣一來，我們就有辦法了：

只要讓激光的頻率比原子能吸收的光子的頻率小一定的值即可！

具體來講就是，針對對要冷卻的原子調(diào)整激光的頻率到一個合適的值，使得迎著光運動的原子接受的光子的頻率滿足原子能級躍遷的要求，光子被吸收，原子的速度降低。

對于沿著光方向運動的原子來說，由于多普勒效應(yīng)，光子的能量不夠激發(fā)電子到達更高的軌道，故原子就不吸收光子，避免了原子被加速。

如果從多個方向入射激光，無論原子朝哪個方向運動，它總是吸收迎面而來的光子。因而在每個散射中，原子都會失去動量而使速度降低。這些原子就好似處在“粘稠的糖漿”中，它們的運動不斷受到阻撓，直到幾乎靜止。

激光冷卻的實現(xiàn)有很多不同的技術(shù)，其中最重要的原理是多普勒效應(yīng)，因此激光冷卻也被稱作多普勒冷卻。通過多普勒冷卻，人們成功將銣-85原子冷卻到150微開的低溫。

在現(xiàn)代物理研究中，激光冷卻原子是一項非常重要的技術(shù)。1997年諾貝爾物理學獎授予科恩（Cohen-Tannoudji）、朱棣文（Steven Chu）和菲利普斯（Daniel Phillips），因為他們發(fā)展了“激光冷卻和捕獲原子的方法”。