如果有一支原子軍隊(duì)的話，陳帥無疑能夠擔(dān)任這支隊(duì)伍的首席指揮官。這位34歲的中國(guó)科技大學(xué)量子工程中心的教授，每天的工作就是把這些“看不見摸不著”的原子，“當(dāng)玩具一樣擺弄”。
“我就像個(gè)導(dǎo)演，可以指揮原子做水平運(yùn)動(dòng)，或是原地轉(zhuǎn)個(gè)圈。如果需要的話，還能讓它像蜜蜂那樣跳一段‘8’字舞。”年輕的教授饒有興味地解說道。
利用激光冷卻并囚禁原子的技術(shù)，是物理學(xué)家獲得冷原子的經(jīng)典方法。這是人類有史以來第一次操控微觀粒子。
7月底，陳帥應(yīng)邀前往澳大利亞參加第22屆國(guó)際原子物理學(xué)會(huì)議。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，會(huì)上提交的議題差不多都跟冷原子有關(guān)。有的用冷原子做精密測(cè)量，有的測(cè)量基本常數(shù)，有的測(cè)算時(shí)間，還有人提出用冷原子模擬凝聚態(tài)物理。
“冷原子好熱啊。”陳帥感嘆道。在他看來，假如人類尚未發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，恐怕當(dāng)代物理學(xué)的很多研究都將停滯不前。
捉住原子，再囚禁起來
啟動(dòng)激光器之后，陳帥緊盯著真空腔里的變化。不到1秒鐘的時(shí)間，面前閃現(xiàn)出一個(gè)不易察覺的圓點(diǎn)。它像正在充氣的氣球那樣急速膨脹，最終形成一個(gè)直徑5毫米的暗紅色小球。“可以數(shù)數(shù)了。”陳帥自言自語道。這團(tuán)小球里大約匯聚了10億個(gè)銣原子。陳帥決定把其中一部分“抓”出來，“囚禁”在光晶格里。
與科技史上一些偉大的發(fā)現(xiàn)一樣，捕捉冷原子的技術(shù)也是一次意外的收獲。
“最初科學(xué)家們只是想獲取更精確的時(shí)間。”在講述這段科學(xué)史的時(shí)候，陳帥掏出他的諾基亞手機(jī)擺在桌子上，“現(xiàn)在年輕人習(xí)慣用手機(jī)計(jì)時(shí)，實(shí)際上這和過去鐘表計(jì)時(shí)相比，其原理都是一樣的。”
學(xué)過中學(xué)物理的人都知道，物體都在以一定的頻率振蕩，通過振蕩頻率，就知道時(shí)間的長(zhǎng)短。最簡(jiǎn)單的例子是單擺，如果擺動(dòng)一次是一秒鐘，在特定條件下擺動(dòng)100次就是100秒。但這種計(jì)時(shí)方法只能精確到秒。后來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在零磁場(chǎng)的情況下石英晶體會(huì)發(fā)出固定的振蕩脈沖，每振蕩約3.2萬次就是1秒，這樣就有了石英表，通常可以精確到十萬分之一秒。
“人們永遠(yuǎn)都想測(cè)得更準(zhǔn)。”陳帥說。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銫原子躍遷發(fā)出的電磁波頻率，比其他物質(zhì)更為準(zhǔn)確。在1963年召開的第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，科學(xué)家們給時(shí)間下了一個(gè)定義，即銫原子Cs-133基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為1秒。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今。
但原子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)卻成了精密測(cè)量的巨大障礙，有些原子在常溫下的速度高達(dá)到數(shù)百米每秒。只有讓原子飛得慢點(diǎn)，甚至把速度降到零，才可能把時(shí)間數(shù)準(zhǔn)。而唯一的辦法就是讓原子的溫度趨近于絕對(duì)零度（-273.15攝氏度），成為冷原子。
“給原子降溫可不是一件容易的事啊。”陳帥笑著舉例，對(duì)人類來說，0攝氏度的冰已經(jīng)夠冷了，但是在原子看來還有273.15攝氏度的高溫。液氮是-196攝氏度,在這個(gè)溫度下，空氣都變成了液態(tài)，但對(duì)原子來說，溫度才降到常溫的1/4。
100多年前，人們就制造出-269攝氏度的液氦，此溫度下，金屬的電阻都會(huì)消失，出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。可是對(duì)原子來說，雖然涼快多了，也還不夠冷。傳統(tǒng)低溫技術(shù)可以制冷到10-3開爾文，冷是很冷了，但此時(shí)大部分物質(zhì)都變成了固體，無法保持觀測(cè)原子所必須的氣態(tài)。
直到1975年，德國(guó)物理學(xué)家漢斯提出了一個(gè)設(shè)想，可以用激光降低原子的動(dòng)能，從而給原子制冷，這就像以噴水的方式來使一個(gè)行進(jìn)中的小球靜止下來，讓它懸浮在空中，任由人們看個(gè)明白。
漢斯因提出并開發(fā)飛秒光梳來進(jìn)行頻率測(cè)量的技術(shù)而獲得2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盡管他并沒有用實(shí)驗(yàn)印證自己當(dāng)年的設(shè)想，但這個(gè)想法也被視為其一生中最偉大的成就。
你從前打獵，總是打不著反應(yīng)敏捷的土撥鼠，現(xiàn)在終于找到一支精度和射程俱佳的好槍
最先完成漢斯設(shè)想的，是美國(guó)現(xiàn)任能源部部長(zhǎng)朱棣文。中國(guó)人大都知道，這位華裔物理學(xué)家獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而其獲獎(jiǎng)原因正是“發(fā)明了用激光冷卻和捕獲原子的方法”。
1985年，朱棣文和他的團(tuán)隊(duì)在貝爾實(shí)驗(yàn)室用6束激光使原子減速，他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻止，然后把鈉原子引進(jìn)6束激光的交匯處。在這個(gè)小區(qū)域里，聚集了大量冷卻的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光氣團(tuán)。由6束激光組成的阻尼機(jī)制就像某種黏稠的液體，原子陷入其中會(huì)不斷降低速度。科學(xué)家給這種機(jī)制起了一個(gè)綽號(hào)，叫“光學(xué)黏膠”。
然而在上述實(shí)驗(yàn)中，原子只是被冷卻，并沒有被捕捉到，重力會(huì)使它們?cè)?秒鐘內(nèi)從“光學(xué)黏膠”中落下來。1987年，朱棣文團(tuán)隊(duì)做成了一種“磁光陷阱”，其中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，把原子拉回陷阱里去。此時(shí)原子雖然沒有真正被捉住，卻被激光和磁場(chǎng)約束在一個(gè)很小的范圍里，從而可以在實(shí)驗(yàn)中加以研究和利用。
陳帥還記得，在朱棣文發(fā)表的第一篇論文里，原子的溫度降到了100微開爾文這個(gè)量級(jí)。后來，別的研究團(tuán)隊(duì)后來居上，陸續(xù)創(chuàng)造出更低的溫度。
在給冷原子降溫的歷程中，每一點(diǎn)溫度的降低都被視為一座里程碑。
如今通用的降溫辦法是把冷原子團(tuán)置入“磁阱”或靠“光阱”蒸發(fā)的辦法把溫度降到10-9開爾文這個(gè)量級(jí)，從而獲取“人為制造的宇宙中最冷的物質(zhì)”。在這個(gè)過程中，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了“玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）”。
早在1924年，玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言，存在另外一種物質(zhì)狀態(tài)——即當(dāng)溫度足夠低、原子的運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時(shí)，所有的原子就像一個(gè)原子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)。但直到1995年，這一神奇的現(xiàn)象才在實(shí)驗(yàn)室中得到充分的顯示。美德3位物理學(xué)家因在“稀薄氣態(tài)堿金屬原子的玻色-愛因斯坦凝聚”中的開創(chuàng)性工作而獲得2001年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
在短短的8年時(shí)間內(nèi)，冷原子物理領(lǐng)域就誕生了3個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。如今，冷原子物理已經(jīng)成為最熱門的交叉學(xué)科。“想在物理學(xué)上有所突破的人，都必須了解這一新興的技術(shù)手段。”陳帥說，“這就相當(dāng)于，你從前打獵，總是打不著反應(yīng)敏捷的土撥鼠，現(xiàn)在終于找到一支精度和射程俱佳的好槍。”
科學(xué)之所以能不斷突破，是因?yàn)槿藗冇肋h(yuǎn)都想測(cè)得更準(zhǔn)些
陳帥還記得，11年前第一次看見冷原子的情景。當(dāng)時(shí)用的是肉眼看不到的銫原子。經(jīng)過一天的光路調(diào)試，紅外監(jiān)測(cè)屏上終于出現(xiàn)了一個(gè)“閃亮的光球”。當(dāng)時(shí)剛念碩士研究生二年級(jí)的陳帥覺得“好神奇”。他記得在中學(xué)物理老師的描述中，原子是構(gòu)成物質(zhì)最小的單位，是“看不見且摸不著的”。#p#分頁標(biāo)題#e#
如今，陳帥早已在捕捉冷原子實(shí)驗(yàn)方面駕輕就熟。最近，他正在嘗試用不帶電的原子模擬出帶電粒子的行為，構(gòu)造一種特別的場(chǎng)。
近幾年冷原子物理不僅經(jīng)歷了一個(gè)又一個(gè)研究高潮，而且呈現(xiàn)新成果更新期縮短的趨勢(shì)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)專門撥款組成由哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院共同管理的國(guó)家級(jí)超冷原子研究中心。英國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)也都成立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，同時(shí)把超冷原子物理研究列為今后四大科學(xué)與技術(shù)研究方向之一，給予全力資助。
“這些國(guó)家干嗎把最強(qiáng)的研究機(jī)構(gòu)、人才都整合到一起？”陳帥分析說，在微觀尺度上操縱原子分子，按人類的意愿改變?cè)臃肿娱g的排列組合，長(zhǎng)久以來是人類的一個(gè)夢(mèng)想。在經(jīng)典世界，人類的操控能力很強(qiáng)，可以發(fā)射機(jī)器人到太空采集樣品，進(jìn)行分析，并把分析結(jié)果的信號(hào)傳回地球。但是人類對(duì)微觀世界的操控能力遠(yuǎn)未達(dá)到這樣的水平，這對(duì)物理學(xué)家是極大的挑戰(zhàn)，也決定了科學(xué)發(fā)展的未來。
據(jù)悉，中國(guó)在冷原子物理方面的投入正在逐年加大。今年批準(zhǔn)的物理方面的10個(gè)“國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)”（973專項(xiàng)）中，4項(xiàng)跟冷原子有關(guān)。一個(gè)國(guó)家級(jí)的冷原子實(shí)驗(yàn)室也在籌建當(dāng)中。
冷原子技術(shù)未來的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。陳帥舉例說，目前中國(guó)正在研制自己的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其中涉及時(shí)間等精確測(cè)量都要自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。國(guó)際上利用冷原子技術(shù)制造的最精確的原子鐘，其精度已經(jīng)達(dá)到數(shù)150億年才誤差1秒。
“追求精確時(shí)間也是人類追求極限的過程。”陳帥說，“科學(xué)之所以能不斷突破，是因?yàn)槿藗冇肋h(yuǎn)都想測(cè)得更準(zhǔn)些。”
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