康奈尔那时和笔者一样是博士后,刚从麻省理工学院(MIT)毕业不久到科罗拉多大学工作。我们会上会下经常在一起。他个子不是很高,但瘦长清秀,非常健谈。在大学期间,他曾经花了近一年时间到中国大陆和台湾教英语并借机学习中文,试图以此为业。但所幸的是他最终还是回到了物理学领域。因为是小字辈,会议没有安排他发言。他所从事的激光制冷领域是由他原来在麻省理工学院的导师介绍的。因为大会上的介绍比较过于抽象,康奈尔在一次吃饭时间坐下来在一张餐巾纸上画了个简图,专门给笔者开了个小灶。
在通常情况下,热量是通过传导、对流、蒸发和辐射等手段传输。让一个物体降温便需要将其所含有的热量传输出来。当物体的温度降到一定程度,这些手段都会逐渐失去效用。对流是流体内部的热量传递,与降温关系不大。低温的物体几乎没有热辐射。蒸发虽然总是存在的,但蒸发在带走热量的同时会失去一部分已经降温的材料,因此不能作为降温的主要手段。传导更是不可能:在极低温的情况下,实验材料的温度比外围容器要低得多。传导只能导致其温度升高,因此需要避免或减小。在这样的条件下,激光制冷几乎成为唯一的途径。
激光是因为频率同一而聚集性能非常好的光束,可以将强大的能量集中在很小的地方。因此激光在工业界有很多应用途径,甚至可以制成武器摧毁敌方的导弹等目标。正因为如此,用激光来制冷似乎是南辕北辙。然而,激光制冷的原理也正在于激光传输能量的定向性和可调性——激光可以提供大量步调一致、特定频率的光子。
早先,波尔(Niels Bohr)在构造其原子结构的经典模型时曾假设原子只能吸收和发射特定频率的光。爱因斯坦更进了一步,认为那是原子与带有特定能量的单个光子相互作用的结果,并据此奠定了量子世界中原子与光相互作用的机理——原子通过不断地吸收和发射光子与周围的电磁环境达到热平衡。但能够与原子实现相互作用的只是那些频率与原子能级跃迁共振的光子。也就是说,光子的频率必须与原子的两个状态之间能量差相同时才能被原子吸收或发射,其它频率的光子则只能与该原子“擦肩而过”。
也还是爱因斯坦首先指出,光子虽然质量为零,却仍然具有动量,其动量大小与能量一样取决于光的频率。当原子吸收光子时,除了得到光子的能量,还得到光子的动量。动量与能量不同的是它具有方向性,因此不是简单的相加。原子本身也在运动,如果光子从后面追上原子,被吸收后就像从后面推了原子一下,原子本身的速度会稍微增大一点。反之,如果同样的光子迎面撞上原子,原子受到阻碍,速度便会减低一点。因为原子的质量很大,从光子那里获得的动量几乎微不足道,所以速度的改变是微小的。然而集腋成裘,如果一个原子屡屡被光子迎面相撞而吸收,原子的速度便会逐步减小。因为速度正是其热运动的表现,速度的降低便意味着温度的下降。
不过原子本身的热运动是随机的。如果光子来自一个方向,有的原子会被迎面相撞,有点则就被从后面推上一把。这样有的被减速,有的则被加速,并不能达到整体的降温效果——除非原子只能吸收迎面来的光子而对后面追上来的光子置之不理。
恰巧的是,这也是能够做得到的。
学过中学物理的人都知道多普勒效应:如果一辆火车鸣笛开行,其到来时汽笛声会比较尖利,离去时汽笛声却会比较低沉。当然火车的汽笛本身并没有改变,但站台上的人听到的汽笛发出声音的频率却因为相对运动而改变了。光和声音一样具有波动性,也会产生多普勒效应。当原子与发光的光源有相对运动时,原子所“看到”的光子频率并不是光子的固有频率,而是因为原子与光源之间的相对运动而改变了的频率。原子“看到”的迎面而来的光子会因为原子朝向光源运动频率提高。反之,后面追来的光子频率则降低。这样,如果把作为光源的激光调整一下,使其发出的光子的频率并不与原子共振,而是比共振频率略低一些,但恰恰在与原子迎面相撞时因为多普勒效应正好与原子共振。反之,与原子同一方向运动的光子频率会因为多普勒效应更远离了共振频率。这样原子就会只吸收迎面而来的光子了。
当然,以上描述的是理想状况。实际上,原子本身的速度和光子的频率都有一定的分布,它们之间并不是绝对的是否能吸收,而是吸收的可能性大小不同。通过微调激光的频率,可以做到原子吸收迎面而来的光子的几率远大于吸收后面追来的光子的几率。这样,原子每吸收光子一次,便因为撞击而减速一次。长期积累,其速度越来越小,也就是温度越来越低。
原子吸收光子后会自发或受激发射出光子回到基态,这样才可能再度吸收光子。原子发射光子时会因为动量守恒而反弹,也会改变速度。如果发射的光子方向与原子运动方向一致,反弹的效果也是减速。反之则会令原子加速(变热)。因为发射光子时方向是随机的,其效果平均下来相互抵消,并不影响整体的降温效果。
在1990年代初期,激光制冷的技术已经有了十多年的历史。那时物理学家不仅能使用激光把原子的速度降得很低,还能“锁定”单个原子,用激光束控制它的运动,随心所欲地牵着其鼻子转悠。但在稀薄气体状态同时降温大量的原子令其发生波爱凝聚还是一个新课题。
康奈尔当时正在设计这样的一个装置。他准备用电磁场将大量铷原子以稀薄气体状态悬浮在空中,不与任何容器接触。然后用多束激光同时以计算好的角度照射,在各个方向都有光子去撞击中间的原子。这样,一个个原子的热运动速度被逐渐减慢。他的设计还可以在最后时刻“打开盖子”,让比较热的原子蒸发出去,这样剩下的原子便都是极低温的气体,正是实现玻爱凝聚的理想材料。
会议的最后一天是自由发言,与会者济济一堂,争先谈论会议中提出的一些热门话题。笔者注意到旁边的康奈尔坐立不安。他一会儿在纸上写着画着,一会儿低头默默地念念有词,跃跃欲试地想举手发言。但最后还是放弃了。通过激光制冷原子气体来达到波爱凝聚的想法也没有人在那会上认真提及。
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