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

這種關系具體可表示為 左邊就是粒子質心運動的平均動能，右邊的 叫做玻爾茲曼常數，而 是采用絕對溫标表示的溫度。

該規律告訴我們，要想讓物體的溫度降下來，隻要讓它裡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。

溫度本身是一個統計平均量，這種統計平均隻有針對大量粒子才有意義。因此，隻有大量原子才具有溫度，少數個原子是不存在溫度的。

但既然原子質心運動的平均動能與溫度等價，人們習慣将原子“運動慢”說成“溫度低”，而将“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、光譜測量技術以及觀察物質的新形态——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。

那麼，有什麼辦法能讓原子靜下來呢？

有啊！降溫呗，采用各種低溫技術就可以啊！隻要讓原子所處環境溫度足夠低，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，而一般的低溫技術根本達不到這個要求。

那該怎麼辦呢？

你知道，若想讓河水停下來，築壩攔住就行了。

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。正如你想摧毀戰場上那混亂的敵軍戰車，你能做的就是瞄準它們各個擊破。

但原子非常小，有什麼精細的武器能将作用準确施加到原子個體上呢？

不錯，光能幹這事！

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，而光子就像是迎着汽車飛過去的石頭。根據動量守恒定律，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該是一樣多！所以無法為原子降速。

看來，想要實現給原子降速的目的，必須要解決的關鍵問題是：如何做到隻讓迎着光的原子被光子撞擊，而避免沿着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生什麼。

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别為 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。

激光是一種相幹光，它的方向性好，而且有很好的單色性，可近似被認為隻有一個頻率，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生，取決于原子吸收光子的能量後，能否跳到其他能級。

那麼，什麼是能級呢？

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别，因此很難與之發生能量交換。就好像你丢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，沒那麼高冷，光子的能量可以得到它的青睐。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！這就是為什麼我們說原子态或原子能級時總是隻讨論電子的原因。

那麼，是不是電子可以随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，電子隻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，電子可能的軌道是确定的。電子隻能在這些軌道上運動，這就好像太陽系一樣，那些行星隻能在那些确定的軌道上運動，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，所以這個能量也是不連續的，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，它要吸收相應的能量

如果一群原子都處在 的态——基态，它們至少需要吸收 的能量，才能把電子激發到第2軌道。如果某光子的能量都達不到這個值，原子将不吸收該光子，原子的能量保持不變，當然速度也就不變。

隻有當入射的光子提供的能量夠原子發生一個能級躍遷時，原子才會吸收光子，根據動量守恒定律，這将導緻原子的速度發生變化。

好了，解決前面那個關鍵問題的思路有了：隻要想辦法讓迎着運動原子的光子能量大一點，而讓追着運動原子的光子的能量小一點就行了！

那麼，這又該如何才能做到呢？

多普勒效應來救場了！

我們有這樣的經驗，當火車從遠處駛過來的時候，它的鳴笛的聲調較高，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。

而光也有類似的效應，當接收者與光源相對運動時，多普勒所導緻的接受頻率為

其中 為接收者與光源之間的相對速率。

可見，對迎着光運動的原子來說，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：

隻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整激光的頻率到一個合适的值，使得迎着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。

對于沿着光方向運動的原子來說，由于多普勒效應，光子的能量不夠激發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。

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

在現代物理研究中，激光冷卻原子是一項非常重要的技術。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），因為他們發展了“激光冷卻和捕獲原子的方法”。

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來源：大學物理學

編輯：藏癡