激光冷卻與冷原子鍾
冷原子鍾，顧名思義(yi) ，冷原子做成的鍾（這看起來像一句廢話）。好，那要解釋這個(ge) 東(dong) 西就可以分為(wei) 二個(ge) 方麵：什麽(me) 是冷原子？然後如何能成為(wei) 鍾表？
激光冷卻
冷原子就是冷卻的原子，那如何來冷卻原子，用激光（激光的確是個(ge) 好東(dong) 西）。在光學基礎知識大講堂第1期：什麽(me) 是光鑷中就提到過，激光與(yu) 物質相互作用的時候會(hui) 發生力學效應，我們(men) 通常稱之為(wei) 光壓。用中學的力學知識分析的話，就是光子具有一定的動量，方向為(wei) 光的傳(chuan) 播方向，如果和原子發生碰撞，那麽(me) 會(hui) 把能量傳(chuan) 遞給原子。舉(ju) 個(ge) 栗子，一個(ge) 粒子朝你飛來，那如何讓他停下來，自然是對著粒子的傳(chuan) 播方向施加一個(ge) 力，讓它減速。好，問題又來了？那我們(men) 如何知道這個(ge) 粒子往哪個(ge) 方向運動，答案是不知道，因為(wei) 分子做的是無規則的布朗運動（中學物理知識）。但這不是關(guan) 鍵，我們(men) 隻要能夠讓它減速就行，不需要知道它具體(ti) 的運動軌跡，換句話說，它要怎麽(me) 跑，我就不讓它怎麽(me) 跑。這裏插一句，物質的溫度來自於(yu) 本身的熱運動，如果原子運動得少了，自然溫度就變低了，所以稱之為(wei) 激光冷卻。
關(guan) 鍵時刻終於(yu) 到了，我們(men) 如何讓光阻止原子的運動。我們(men) 都知道，原子有能級的概念，滿足一定能量的光子才能被原子吸收，少一點都不行（參考愛因斯坦的光電效應）。這是其一，其二是光的多普勒效應。何謂多普勒效應，舉(ju) 得例子，小明和小紅相向運動（對著走），速度都是1m/s，假設小明是粒子，小紅是光子，從(cong) 我們(men) 的角度看，光子的速度是1m/s，但是對於(yu) 粒子來說，光子的速度是2m/s。額，自然這個(ge) 比喻不怎麽(me) 恰當，光子的速度永遠都是3×10^8 m/s，所以改變的其實是光的波長（即頻率），自然改變了頻率就是改變了光子的能量。現在，我們(men) 把這二者結合起來，讓激光發出比原子能級躍遷的能量少一點點（現在的技術確實能做到這一點），那麽(me) 如果粒子不動，自然不會(hui) 吸收光子，如果它朝任何一個(ge) 方向運動，自然讓相向而行的激光達到能級躍遷的能量，然後吸收光子（即與(yu) 這些光子發生碰撞），而同向運動的光子頻率降低，光子能量不足以被吸收，從(cong) 而減慢粒子的運動。
冷原子鍾
利用這個(ge) 方式，我們(men) 可以把原子冷卻到絕對溫度百萬(wan) 分之一度以下，但是絕對達不到絕對零度，就像我們(men) 永遠也達不到光速一樣。額，這不是關(guan) 鍵，關(guan) 鍵是冷原子跟我們(men) 的鍾有什麽(me) 關(guan) 係？好，那首先還是介紹下原子鍾吧。
根據原子物理學的知識，我們(men) 得知不同的原子核周圍的電子層是具有不同的能級差，我們(men) 也把它叫做特征振動頻率或者特征譜線。例如，我們(men) 目前采用“秒”時間的定義(yi) ：銫原子的一個(ge) 能級躍遷到另一個(ge) 能級所釋放電磁波的9192631770個(ge) 周期所需要的時間。各位看官看到這裏估計還是很懵，我們(men) 定義(yi) “秒”的時長幹嘛？好吧，這問題我就不回答了。其次，我們(men) 為(wei) 啥要把它定義(yi) 成為(wei) 銫原子振蕩9192631770次的時間長度？恩，這個(ge) 我可以回答，這是官方規定（其實是這樣子定義(yi) 很精準）。
拋開上麵的問題，我們(men) 繼續。那我們(men) 如何做到？大家都聽說過共振這個(ge) 概念，當二個(ge) 物體(ti) 的振動頻率越近時，共振強度越高。所以，我們(men) 讓銫原子經過微波場，然後通過調控微波頻率達到共振目的，再通過熒光探測器探測強度。自然，熒光光強最高的點，就是共振頻率的點，那麽(me) 調節到這個(ge) 點的微波頻率就是我們(men) 想要的頻率（即時間的定義(yi) ）。
問題又來了，技術上解決(jue) 了，但是這個(ge) 過程非常具有技術含量。銫原子在常溫下平均速度達到幾百米每秒，通過微波腔的時間非常短，極大地限製了鎖頻的穩定度。所以，激光冷卻技術登場了，你不是嫌速度太快嗎？激光冷卻可以極大地降低銫原子的運動速度。原子鍾的精度原先誤差為(wei) 1秒/300萬(wan) 年，冷原子鍾的精度可以提高到1秒/3億(yi) 年，提高2個(ge) 數量級。
最後一個(ge) 問題，那為(wei) 啥冷原子鍾還要去“天宮二號”實驗室？我們(men) 都知道，地球是有引力的，如果在外太空的話，引力會(hui) 大大地降低，自然可以更大程度上降低銫原子運動速度（我們(men) 采用的是垂直方向，所以也有噴泉原子鍾的說法），增加鎖頻時間，從(cong) 而更精確地對準共振頻率。預計空間冷原子鍾的精度可以再提高一個(ge) 數量級左右。
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