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(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的劇烈程度由系統(tǒng)的溫度來描述。運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能，右邊的 叫做玻爾茲曼常數(shù)，而 是采用絕對(duì)溫標(biāo)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(yùn)動(dòng)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(dāng)你靜下來的時(shí)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(duì)。
溫度本身是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均量，這種統(tǒng)計(jì)平均只有針對(duì)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(gè)原子是不存在溫度的。
但既然原子質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度等價(jià)，人們習(xí)慣將原子“運(yùn)動(dòng)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(shí)原子寥寥無幾。
一般情況下，原子總在運(yùn)動(dòng)，就像蹦來蹦去的淘氣鬼。
然而，對(duì)很多科學(xué)研究來說，例如像原子鐘、光譜測(cè)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??！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(dòng)來動(dòng)去了。
可是，要真正讓原子冷靜下來，溫度需要接近絕對(duì)零度才可以，而一般的低溫技術(shù)根本達(dá)不到這個(gè)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(yùn)動(dòng)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(duì)原子集體作用，作用必須到原子個(gè)體上。正如你想摧毀戰(zhàn)場(chǎng)上那混亂的敵軍戰(zhàn)車，你能做的就是瞄準(zhǔn)它們各個(gè)擊破。
但原子非常小，有什么精細(xì)的武器能將作用準(zhǔn)確施加到原子個(gè)體上呢？
不錯(cuò)，光能干這事！
光雖然是照在原子上集體上，但各個(gè)光子就像射彈一樣精準(zhǔn)的打在各個(gè)原子上，保證作用到位。
打個(gè)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(dòng)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(huì)因?yàn)椴粩嗍艿焦庾拥臎_撞而逐漸慢下來。
但問題是，入射的光可能會(huì)讓迎面而來的原子減速，但同樣也會(huì)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(jī)會(huì)應(yīng)該是一樣多！所以無法為原子降速。
看來，想要實(shí)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(yùn)動(dòng)的原子被光子推動(dòng)呢？
要回答這個(gè)問題，就得看光子碰到原子會(huì)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(shí)，看起來就像一個(gè)彈性小球，它們的能量和動(dòng)量分別為 對(duì)一般的普通光源來說，頻率 不是唯一的。所以對(duì)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(rèn)為只有一個(gè)頻率，每個(gè)光子都具有相同的能量。
光子碰到原子時(shí)，它可能被原子吸收 —— 之所以說可能，是因?yàn)檫@個(gè)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(jí)。
那么，什么是能級(jí)呢？
原子具有能量，這個(gè)能量包含原子整體（主要是原子核）的動(dòng)能、電子的動(dòng)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(dá)到這個(gè)的級(jí)別，因此很難與之發(fā)生能量交換。就好像你丟一個(gè)乒乓球到一個(gè)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(yùn)動(dòng)。
電子就不一樣了，因?yàn)樗仍雍诵『芏?，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(duì)外交流活動(dòng)，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(jí)時(shí)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?。∮捎诹孔恿W(xué)的限制，電子只能在某些離散的軌道上運(yùn)動(dòng)，這使得它無法接受不滿足要求的能量。
電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，如果偏離一點(diǎn)，這個(gè)太陽系可能就要崩潰了。
軌道 上的電子具有能量 ，離核越遠(yuǎn)時(shí)能量越高，反之越低。由于電子的軌道不連續(xù)，所以這個(gè)能量也是不連續(xù)的，這個(gè)能量就是原子的能級(jí)。
當(dāng)電子從低軌道 躍遷到高軌道 時(shí)，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(dá)不到這個(gè)值，原子將不吸收該光子，原子的能量保持不變，當(dāng)然速度也就不變。
只有當(dāng)入射的光子提供的能量夠原子發(fā)生一個(gè)能級(jí)躍遷時(shí)，原子才會(huì)吸收光子，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，這將導(dǎo)致原子的速度發(fā)生變化。
好了，解決前面那個(gè)關(guān)鍵問題的思路有了：只要想辦法讓迎著運(yùn)動(dòng)原子的光子能量大一點(diǎn)，而讓追著運(yùn)動(dòng)原子的光子的能量小一點(diǎn)就行了！
那么，這又該如何才能做到呢？
多普勒效應(yīng)來救場(chǎng)了！
我們有這樣的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)火車從遠(yuǎn)處駛過來的時(shí)候，它的鳴笛的聲調(diào)較高，而當(dāng)它遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，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(dāng)接收者與光源相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒所導(dǎo)致的接受頻率為
其中 為接收者與光源之間的相對(duì)速率。
可見，對(duì)迎著光運(yùn)動(dòng)的原子來說，光的頻率大一些，所以能量高一些；而對(duì)與光同向運(yùn)動(dòng)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(duì)對(duì)要冷卻的原子調(diào)整激光的頻率到一個(gè)合適的值，使得迎著光運(yùn)動(dòng)的原子接受的光子的頻率滿足原子能級(jí)躍遷的要求，光子被吸收，原子的速度降低。
對(duì)于沿著光方向運(yùn)動(dòng)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(dá)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(gè)方向入射激光，無論原子朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，它總是吸收迎面而來的光子。因而在每個(gè)散射中，原子都會(huì)失去動(dòng)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(yùn)動(dòng)不斷受到阻撓，直到幾乎靜止。
激光冷卻的實(shí)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(xiàng)非常重要的技術(shù)。1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予科恩（Cohen-Tannoudji）、朱棣文（Steven Chu）和菲利普斯（Daniel Phillips），因?yàn)樗麄儼l(fā)展了“激光冷卻和捕獲原子的方法”。
本文來自微信公眾號(hào)：大學(xué)物理學(xué) （ID：wuliboke），作者：薛德堡
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