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本文作者:沐右

如何降温?

在炎炎夏日里提起降温,你是不是首先想到来点冰镇饮料?或者摇把扇子或者打开电风扇或者打开空调?又或者,哪怕只是躲在树荫下?

几千年来人们一直持续着对于温度控制的尝试和研究,《诗经》与《左传》中就有冬日藏冰的记载[1],寒冬时凿取冰块存放在低温的地窖、深井,等到夏热时取出供饮用降温。这些想法最初源自哪里已经无法考证,但诸如“扬汤止沸”、“ 挟冰求温,抱炭希凉”等很多古代词汇中早就展示着人们对降温的理解和掌握。

大家都知道天热的时候洗个凉水澡,吃些凉的东西可以消暑,这其实是一个最直观的降温方式——互相接触的时候,热量会从高温物体传递到低温物体。“挟冰求温,抱炭希凉”就是违反了这种规律。

当然,还有很多其他的降温方法。比如当你面对一碗滚烫的热汤,吹一下或者拿勺子搅一搅可以让它凉的快一些,还有夏天扇扇子、开电扇,这都是通过促进液体的蒸发来散热。蒸发是指液体变成气体的过程,这个过程会吸收热量,而增大空气的流动可以促进这个过程,这也是“扬汤止沸”的物理依据。

有时候只有这两种方式还远远不够。酷暑之中,你是不是常抱怨电扇吹热风,而更喜欢有空调的房间?空调便是另一种降温方式。它利用热机原理、通过消耗一定的电能,将热量从低温的地方带到高温的地方。空调的出现使得适宜人类生存的温度范围得到了很大的扩展。美国亚利桑那州气候炎热,其在二战之后出现的人口暴增就部分得益于空调的大规模应用[2]。

【美国亚利桑那州百年来的人口变化,来自这里。】

日常生活中经常需要用到这种种降温手段,在工业生产里面,降温更是至关重要。常用的空调或者冰箱并不能够将温度改变太多,它们的制冷效率只有在内部温度不比外部温度低太多时才比较高,而且用于制冷的工作物质要保持在一定温度范围内以维持适合的状态才行,一般也就能够达到零下几十摄氏度的样子。然而在很多科学研究工作中,科学家需要非常低的温度,也因此需要更多不同的降温措施。比如说研究超导体,就往往需要在接近绝对零度的温度下进行测量和研究。这些一般是通过和液氮(77K,零下196摄氏度)或者液氦(4.2K,约零下269摄氏度)相接触来将实验的系统保持在那么低的温度,或者通过和稀释制冷机相接触来获得仅仅比绝对零度高几个毫K(千分之一度)的温度[3]。然而,在关于冷原子气体的研究中,需要用非直接接触的方法获得比这些还要更接近决定零度的温度,这就需要激光来帮忙了。

用激光来制冷?可能吗?

提到激光,我们首先想到的可能是光盘光驱、激光笔、商品条形码、指星笔等生活中的各种应用。大家可能还会想到,激光具有很高的能量,我们印象中的激光往往是灼热和明亮的代言词:指星笔有可能伤到眼睛;在皮肤医院里,激光被用来“烧”掉人们身上的纹身;在有些工厂里面,激光甚至能够用来切割金属。激光能用来降温吗?

能的。利用激光冷却技术,科学家们能够获得仅仅比绝对零度高出不到千分之一度的低温。物理学里面常用的温度标准叫做绝对温度,单位为开尔文(K),一个开尔文和一摄氏度的单位是一样的。绝对零度(0 K)是-273.15摄氏度,室温相当于大约300开尔文。要记得,我们只能尽量接近绝对零度,而不能达到。

圣斗士冰河.jpg

【怎么才能更接近绝对零度?】

1985年的时候,美国斯坦福大学的朱棣文教授(现任美国能源部部长)等人首先利用激光冷却技术将钠的原子气体冷却到了240微开尔文的温度(仅比绝对零度高出一百万分之二百四十度[4]。1997年,朱棣文因此项工作和法国巴黎高等师范学院的Claude Cohen-Tannoudji教授以及美国国家标准局的William D. Phillips教授分享了诺贝尔物理学奖。
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大家可以想象一个战争的场面。失控的战车冲向战壕,战壕里的战士向战车不断开枪,子弹击中战车并弹向四面八方。如果仔细看战车的速度,我们会发现由于子弹的撞击,战车的速度会越来越小,激光冷却原子便是相似的过程。如上图显示的,激光器发出的光子就像子弹一样,如果光子在钠原子上发生“散射”,那么向右运动的钠原子在激光的作用下速度会越来越慢。仔细说来,光子在钠原子上发生的并不是散射,而是光子将钠原子的电子激发到激发态,然后电子跃迁回来的时候会放出一个方向不确定的光子。在一段时间内,钠原子吸收的光子有特定方向,而放出的却没有,所以原子会被光束减速。这样,原子的动能有个和光子的能量相关的不确定性,这也给出了激光冷却能够得到的最低温度。

如果你还没有意识到“速度变慢”和降温的关系的话,那么让我来提醒一下。我们所说的温度,在物理学家看来,其实描述了构成物体的那些微观粒子的运动状态。粒子运动的平均速度越大,物体温度就越高,越小则温度越低。热力学温度里的绝对零度(即零下273.15摄氏度),便是当所有粒子运动速度为零时的温度。这是一个极限温度,没有任何人可以实现真正的绝对零度,但科学家正在朝着这个方向一步一步迈进,激光冷却技术便是其中的关键一步。当一团钠原子气体里的大部分原子被激光渐渐减速,气体对应的温度也越来越低,这样就实现了“降温”的过程。

但你也许会问,怎么这么巧,纳原子刚好向着激光的方向运动,它不应该是四面八方的吗?惹不起,还躲不起吗?

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高压钠灯的发射谱线(来自这里)。

需要这考虑到光和原子相互作用的问题——并不是所有波长的激光都能够和原子相互作用。原子内部的电子能级发生变化的时候,会放出或者吸收特定波长的光,这构成了原子的 发射光谱或者吸收光谱。每一条谱线都是有一定的宽度,光波长越接近吸收谱线的中心位置,激光就越容易影响原子,原子只会对这些特定颜色的光起反应,而对远离谱线位置的光视而不见。

为了冷却所有的原子,我们需要能够控制减慢哪些原子。对于向着激光运动的原子来说,我们希望能减慢他们的速度,对于远离激光运动的原子来说,我们不希望把它们推的越来越快。激光冷却技术的实现,得益于多普勒效应的存在。光波和声波都是波动,当物体相对于波动的源头运动的时候,它感受到的波长和频率都会发生变化。向着我们运动的火车发出的鸣笛,听起来要比远离我们运动的火车声调要高一些。同样,远离我们运动的恒星发出的光,在我们看来要显得波长更长、频率更低一些。

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激光冷却原子的示意图,选择激光的波长在原子谱线偏红(波长偏长)的一侧,这样可以实现原子的减速。来自[5]里的动画截屏(强烈推荐大家去玩一玩这里面的一系列关于BEC的动画游戏)。

这样,只要我们将激光的波长选择在原子谱线略微比中心位置的波长大一些的一侧,那么由于多普勒效应,向着激光运动的原子感受到的波长会显 得短一些(蓝移),因此作用强烈;而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些(红移),因此不会受到作用。这样,如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的话,就可以保证把原子的速度降低下来。通过这种方法,科学家们可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上不到千分之一度的低温。

激光是科学家们常用的工具,它不止能够进行精密的测量,也能够在一些研究中将体系降温到极低的温度。利用激光冷技术可以实现的温度比宇宙空间的温度(宇宙背景辐射,约3K)低上千上万倍。这一技术促进了原子钟等冷原子气体的研究,也为玻色-爱因斯坦凝聚的实现铺平了部分道路。

参考资料

1. 《诗经?七月》,“二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴”;《左传?昭公四年》,“古者日在北陆而藏冰,西陆朝觌而出之,其藏之也,深山穷谷,涸阴互寒。其用之也,禄位宾客丧祭”。
2. 维基百科,“Arizona”.
3. N. Samkharadze et. al., Rev. Sci. Instrum. 82, 053902 (2011).  ArXiv: 1105.2350
4. Steven Chu et. al., Physical Review Letters 55, 48 (1985). 链接http://prl.aps.org/abstract/PRL/v55/i1/p48_1
5. 美国科罗拉多大学“Physics-2000”项目关于BEC的内容http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/,强烈推荐大家去玩一玩这里面的一系列关于BEC的动画游戏。
6.备注:绝热去磁制冷机可以达到比激光冷却更低的温度,但是前者需要和被冷却的物体相接触,不适于冷原子气体的研究。

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