捉住原子，再囚禁起来

　　启动激光器之后，陈帅紧盯着真空腔里的变化。不到1秒钟的时间，面前闪现出一个不易察觉的圆点。它像正在充气的气球那样急速膨胀，最终形成一个直径5毫米的暗红色小球。“可以数数了。”陈帅自言自语道。这团小球里大约汇聚了10亿个铷原子。陈帅决定把其中一部分“抓”出来，“囚禁”在光晶格里。

　　与科技史上一些伟大的发现一样，捕捉冷原子的技术也是一次意外的收获。

　　“最初科学家们只是想获取更精确的时间。”在讲述这段科学史的时候，陈帅掏出他的诺基亚手机摆在桌子上，“现在年轻人习惯用手机计时，实际上这和过去钟表计时相比，其原理都是一样的。”

　　学过中学物理的人都知道，物体都在以一定的频率振荡，通过振荡频率，就知道时间的长短。最简单的例子是单摆，如果摆动一次是一秒钟，在特定条件下摆动100次就是100秒。但这种计时方法只能精确到秒。后来，科学家们发现，在零磁场的情况下石英晶体会发出固定的振荡脉冲，每振荡约3.2万次就是1秒，这样就有了石英表，通常可以精确到十万分之一秒。

　　“人们永远都想测得更准。”陈帅说。后来科学家发现，铯原子跃迁发出的电磁波频率，比其他物质更为准确。在1963年召开的第13届国际计量大会上，科学家们给时间下了一个定义，即铯原子Cs-133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。这个标准一直沿用至今。

　　但原子的无规则热运动却成了精密测量的巨大障碍，有些原子在常温下的速度高达到数百米每秒。只有让原子飞得慢点，甚至把速度降到零，才可能把时间数准。而唯一的办法就是让原子的温度趋近于绝对零度（-273.15摄氏度），成为冷原子。

　　“给原子降温可不是一件容易的事啊。”陈帅笑着举例，对人类来说，0摄氏度的冰已经够冷了，但是在原子看来还有273.15摄氏度的高温。液氮是-196摄氏度，在这个温度下，空气都变成了液态，但对原子来说，温度才降到常温的1/4。

　　100多年前，人们就制造出-269摄氏度的液氦，此温度下，金属的电阻都会消失，出现超导现象。可是对原子来说，虽然凉快多了，也还不够冷。传统低温技术可以制冷到10-3开尔文，冷是很冷了，但此时大部分物质都变成了固体，无法保持观测原子所必须的气态。

　　直到1975年，德国物理学家汉斯提出了一个设想，可以用激光降低原子的动能，从而给原子制冷，这就像以喷水的方式来使一个行进中的小球静止下来，让它悬浮在空中，任由人们看个明白。

　　汉斯因提出并开发飞秒光梳来进行频率测量的技术而获得2005年诺贝尔物理学奖。尽管他并没有用实验印证自己当年的设想，但这个想法也被视为其一生中最伟大的成就。

　　你从前打猎，总是打不着反应敏捷的土拨鼠，现在终于找到一支精度和射程俱佳的好枪

　　最先完成汉斯设想的，是美国现任能源部部长朱棣文。中国人大都知道，这位华裔物理学家获得了1997年诺贝尔物理学奖，而其获奖原因正是“发明了用激光冷却和捕获原子的方法”。

　　1985年，朱棣文和他的团队在贝尔实验室用6束激光使原子减速，他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止，然后把钠原子引进6束激光的交汇处。在这个小区域里，聚集了大量冷却的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光气团。由6束激光组成的阻尼机制就像某种黏稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。科学家给这种机制起了一个绰号，叫“光学黏胶”。