前段時(shí)間，電影《名偵探柯南：獨(dú)眼的殘像》上映，“柯學(xué)”愛好者們又拿起了放大鏡對劇情展開了深入研究，貌似這次電影中出現(xiàn)了些不科學(xué)的場景，比如——

▲最新柯學(xué)名場面簡筆畫（圖片來源：https://movie.douban.com/subject/36851291/discussion/637830102/）

主角團(tuán)們操縱射電望遠(yuǎn)鏡巨大的主反射面，將激光導(dǎo)星系統(tǒng)射出的激光精準(zhǔn)反射到柯南腳下恰到好處騰空而起的“金屬反光板”，完成若干次跳躍后，最終讓激光擊中反派座駕的駕駛艙，借助龐大的天文臺(tái)設(shè)備和柯南高超的動(dòng)作技能，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的激光炮反射攻擊，可謂槽點(diǎn)滿滿。

用射電望遠(yuǎn)鏡的反射面反射激光是最大的槽點(diǎn)了。射電望遠(yuǎn)鏡反射面是專門針對射電波長設(shè)計(jì)的。反射面實(shí)際上由很多塊金屬板拼接而成，用它來反射激光，很大的可能就是激光從金屬板的洞洞穿過~去~了。

▲FAST反射面安裝的場面，可以看出金屬板子是“透光”的（圖片來源：新華網(wǎng)）

不過吐槽歸吐槽，不影響我們繼續(xù)期待下一部柯南劇院版。

激光——二十世紀(jì)的偉大發(fā)明

激光的英文是LASER，全稱是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“受激輻射的光放大”。激光技術(shù)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)一起，是二十世紀(jì)最負(fù)盛名的四項(xiàng)重大發(fā)明。激光作為上世紀(jì)發(fā)明的新光源，它具有方向性好、亮度高、單色性好及高能量密度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、成像技術(shù)、科學(xué)研究等方面。

▲諾貝爾獎(jiǎng)中與激光技術(shù)有關(guān)的成果（圖片來源：http://www.raybowlaser.com/application/id-5.html）

激光冷卻

1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國華裔物理學(xué)家朱棣文、法國科學(xué)家科恩·塔諾基和美國科學(xué)家威廉·菲利普斯，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了激光冷卻和捕獲原子的方法。

是不是還挺反直覺的？用激光照一照原子，居然就可以給原子降溫？

當(dāng)一個(gè)原子迎面撞向一束激光，如果激光的頻率剛好等于原子向高能級躍遷需要的頻率，原子就會(huì)吸收光子的能量，跳到更高的能級狀態(tài)。由于光子具有動(dòng)量，根據(jù)動(dòng)量守恒，原子吸收光子后動(dòng)量會(huì)減少，原子像被迎面撞上的光子踢了一腳，減速了。

▲激光對原子的散射力示意（圖片來源：http://aikelabs.com/news/61.htm）

原子跳到高能級后可能還會(huì)跳回來，同時(shí)放出一個(gè)光子，這個(gè)過程即隨機(jī)的自發(fā)輻射。如果輻射出的光子的運(yùn)動(dòng)方向跟原子運(yùn)動(dòng)方向一致，帶來的反沖就會(huì)讓原子再減速一次，如果輻射光子運(yùn)動(dòng)方向跟原子相反，原子就被加速。由于光子的方向是完全隨機(jī)的，自發(fā)輻射的過程有可能加速原子，有可能減速原子。

整個(gè)過程形象地說就是，飛奔的原子接到迎面而來光子球，原子被減速；然后原子隨機(jī)把光子球扔出去，飛出去的光子會(huì)給原子一個(gè)反沖作用。如果源源不斷有光子迎面砸向原子，原子就跑得越來越慢了。注意，這里的原子是稀薄氣體中的原子，密度比空氣低了10個(gè)數(shù)量級，原子釋放出的光子不會(huì)被周圍的原子吸收。

另外，由于原子也在運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，在原子看來，它迎向的那束激光波長被壓縮，原子“感受”到的激光頻率會(huì)稍微升高。所以還要把多普勒效應(yīng)引起的這點(diǎn)頻率差考慮進(jìn)來：可以調(diào)整激光的頻率以適應(yīng)原子的躍遷能級，也可以加入變化的磁場改變原子的躍遷能級（比如塞曼減速器，可以在1~2米的距離內(nèi)將原子的速度從每秒一千米迅速降低到每秒幾十米）。

小結(jié)一下，當(dāng)光子的頻率（顏色）匹配原子躍遷的能級差，原子就會(huì)吸收光子；原子吸收迎面而來的光子，速度變慢；讓原子不停吸收光子持續(xù)減速，就達(dá)到了冷卻的目的。這就是激光冷卻的原理。

大量原子的運(yùn)動(dòng)方向是雜亂無章的，只用一束激光來給原子“剎車”效率太低，用兩束相對的激光夾擊原子，效率就會(huì)高些，如果在上下、左右、前后方向都射入激光，不管原子往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都有機(jī)會(huì)被減速。

▲沿笛卡爾坐標(biāo)系軸向擺放的三對激光束（圖片來源：https://laser.ofweek.com/2024-07/ART-240002-11000-30640941.html）

來自各個(gè)方向射入的激光，讓原子們陷入了“光學(xué)糖漿”，速度越來越慢，溫度越來越低。自發(fā)輻射導(dǎo)致的原子隨機(jī)游走，限制了原子平均速度無法無限慢下去，原子能達(dá)到的最低溫度一度被認(rèn)為在mK（毫開爾文）量級，這被稱為多普勒極限溫度。堿金屬族原子，如銣原子的多普勒極限溫度在0.15mK。但是實(shí)際上，物理學(xué)家們測得的“光學(xué)糖漿“中原子的溫度比多普勒極限溫度還要低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論還要好，肯定是哪里出問題了！這是因?yàn)樵凇惫鈱W(xué)糖漿“中隱藏著一個(gè)更深刻的冷卻機(jī)制-偏振梯度冷卻。原子在偏振正交的兩束激光形成的周期性勢場內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)原子克服勢能（損失動(dòng)能）爬到頂端時(shí)，被激光瞬間打回到勢場底部，如此往復(fù)原子的溫度可以被進(jìn)一步冷卻至μK（微開爾文）范圍。古希臘神話中西西福斯被神懲罰背著巨石上山，然而每次在快到山頂時(shí)石頭會(huì)滾回山底，偏振梯度冷卻也因此被形象地稱為西西福斯冷卻（Sisyphus Cooling）。

▲古希臘神話中重復(fù)背著巨石上山的西西福斯

給激光配上一對電流方向相反的線圈，我們就得到了可以捕獲并冷卻大量原子（10^9）的磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）。塞曼減速器和磁光阱的組合可以說是冷原子實(shí)驗(yàn)室的“標(biāo)配”。

▲磁光阱中的囚禁的原子團(tuán)直徑在厘米量級，原子發(fā)出的熒光可以被肉眼或者相機(jī)觀測到。（圖片來源：https://laser.ofweek.com/2024-07/ART-240002-11000-30640941.html）

為了進(jìn)一步降低原子團(tuán)的溫度，科學(xué)家們又開發(fā)了很多新的技術(shù)，比蒸發(fā)冷卻，拉曼邊帶冷卻，電磁誘導(dǎo)透明冷卻等。

▲蒸發(fā)冷卻：逐步降低勢阱高度，讓能量較高的原子跑掉，剩下的原子達(dá)到熱平衡后的溫度將逐漸降低（損失原子，降低溫度并提高密度）。

請大家記住，絕對零度（0K，-273.15℃）是溫度的最低限度，無法逾越。在絕對零度，原子和分子運(yùn)動(dòng)完全停止。然而宇宙中不存在完全靜止的微觀粒子，絕對零度永遠(yuǎn)都達(dá)不到，只能無限接近?？茖W(xué)家借助激光致冷和蒸發(fā)冷卻等手段不斷向絕對零度逼近，現(xiàn)在已經(jīng)可以把原子團(tuán)冷卻到pK（皮開爾文）的量級。這個(gè)溫度比太空中的溫度還要低。

要這么冷有什么用呢？用處非常大。冷原子物理在測量基本物理常數(shù)，驗(yàn)證基礎(chǔ)物理定律，暗物質(zhì)探測，模擬量子多體物理模型，量子信息存儲(chǔ)，量子計(jì)算，地質(zhì)勘探，GPS定位，微弱電磁信號(hào)探測等諸多前沿領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在冷原子基礎(chǔ)上衍生出的冷分子物理繼承了冷原子的優(yōu)勢，并有著更高的可操控性。冷分子領(lǐng)域的研究正不斷將我們對與化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知與調(diào)控，對新奇量子多體物態(tài)的探索推進(jìn)至新的高度。

激光點(diǎn)火

有人說AI、量子計(jì)算和可控核聚變是當(dāng)今三大前沿技術(shù)。目前可控核聚變有磁約束和激光約束兩種實(shí)現(xiàn)方式。激光從四面八方射向中心靶丸，燒蝕靶丸表面的材料，燒蝕的材料向外噴射產(chǎn)生向心的反沖力，靶丸內(nèi)部的氘氚氣體受到高溫高壓，引發(fā)核聚變——相當(dāng)于用激光為聚變點(diǎn)火。

▲左：壓縮；中：點(diǎn)火；右：自持燃燒（圖片來源：格致論道）

大家看到下面這兩圖有沒有覺得很像？左邊的是激光慣性約束核聚變神光III原型裝置靶場，右邊是英國國家物理實(shí)驗(yàn)室中的使用激光冷卻的鍶光晶格鐘。

▲左：神光III原型裝置靶場；右：使用激光冷卻的鍶光晶格鐘

同樣都是激光從四面八方射入，達(dá)到的效果卻可以南轅北轍，一個(gè)把原子團(tuán)冷卻到絕對零度附近，一個(gè)把氘氚氣體加熱到千萬攝氏度以上。為什么會(huì)產(chǎn)生兩種截然不同的效果呢？

到這里，相信有些聰明的同學(xué)心中已經(jīng)有了答案。

回憶一下，

熱的本質(zhì)是什么？

大量微觀粒子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

溫度是什么？

溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。它與物體內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈；反之，溫度越低，分子的運(yùn)動(dòng)則越緩慢。

老師當(dāng)年強(qiáng)調(diào)的定義啊、概念啊并非死板的教條，冷冰冰的知識(shí)在我們腦海埋下伏筆，當(dāng)我們?nèi)蘸笥龅絾栴}思考時(shí)，答案已在心中。

激光本身是沒有溫度的，不能說激光是冷的還是熱的。但光子攜帶能量，具有動(dòng)量，它與物質(zhì)發(fā)生相互作用，就產(chǎn)生了冷/熱效果。激光讓微觀粒子的動(dòng)能增加，就起到加熱效果，讓微觀粒子的動(dòng)能減少，就實(shí)現(xiàn)整體的“冷”。

留給讀者的問題

如果柯南電影請你做科學(xué)顧問，你會(huì)怎么設(shè)計(jì)其中有關(guān)激光的部分，讓“柯學(xué)”更科學(xué)呢？

審校：安邦