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激光如何让冷原子变得“温柔”

2016-09-22 09:06
瑾年Invader
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  原子,最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念。作为一种微观粒子存在,原子既看不见也摸不着,这就给它们带来了一丝神秘感和距离感。

  随着人类认识的进步,原子从抽象的概念逐渐成为科学的理论。

  原子由一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子组成。电子绕原子核运动,释放能量,使整个原子与外界形成一个整体,不断与外界形成能量交换,使整个原子处于运动状态,运动的原子是热血的原子。

模拟电子绕核运动

  在我们身边,有这么一群原子,它们表面很冷,但其内心绝对温柔,它们被称作冷原子。

  在说冷原子之前,我们先来了解下与冷原子里的冷对应的热是什么?热的本质是什么?进一步了解什么样的原子才称得上冷原子?冷原子是如何实现的?

  热的本质

  热的概念大家都熟知,比如刚过去的酷暑,陕西的持续一个月的高温,真是快热化了,但这个意义上的热是我们日常谈论的“热”的一种方式,这样的日常并不能表达出热的真谛,热的本质,换句话说,这里我们需要科学的物理的来理解“热”。

  1745年,俄罗斯科学家罗蒙诺索夫道出了热的本质:热是运动的现象,即热是物体中微观粒子运动速度快慢的表现!

  经典热力学告诉我们,物体的温度与原子运动速度之间有一个简单的关系,即温度正比于速度的平方。

  我们这里所说的冷原子,是热力学上的概念。

  俄罗斯科学家罗蒙诺索夫

  通常情况下,冷与热总是相对的,什么样的原子才能称得上冷原子呢?

  最粗糙的要求是-273℃,如果用绝对温度来表示的话,一般要求是几个毫开尔文量级,再高端一点的就是微开尔文甚至更冷。

  冷原子的运动速度很慢,具有更稳定、更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱,因此相比热原子具有更为明确的量子态。

  目前,国际上利用冷原子制造的最精确的原子钟——锶原子光晶格钟,160亿年才误差1秒。

  冷原子如何实现?

  生活中我们冷却物体的常用办法是冰箱,那是不是可以把原子放入冰箱冷冻得到冷原子了呢?

  当然没那么简单。

  我们知道,家用冰箱能达到的最好制冷效果是-20℃,看来用冰箱来给原子降温是行不通了。

  那需要借助什么特殊的手段才能制备冷原子呢?物理学家朱棣文、柯亨-达诺基、菲利普斯为我们揭晓了答案。

  他们开创了用激光把气体冷却到微开温度范围的方法,即激光冷却原子,并且把冷却了的原子陷俘或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中,他们也因此获得了1997年诺贝尔物理学奖。

  激光是如何实现原子冷却的?我们举一个生动简单的例子来说明。

  我们知道光既具有波动特性,又具有粒子特性,即光的波粒二象性。

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