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用激光来降降温Comments>>

发表于 2012-05-23 06:45 | Tags 标签:,

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绝对零度的温度,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。

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。
laser cooling_1.jpg

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?

Spectrum-hp-sodium.jpg

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。

laser cooling_2.jpg

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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52 Responses to “用激光来降降温”

  1. 邓毅说道:

    终于明白这个原理了,不过这篇文章的写作水平有很大的提高空间,呵呵

  2. 『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。』感觉怪怪的,貌似动量不守恒了

    • jinzhao1994说道:

      应该是守恒的吧。。差的那部分体现在纳原子的动量变化上了。

      • 沐右说道:

        对的
        光子和原子发生碰撞,只看光子当然不守恒了。。

        • 邓毅说道:

          动量守恒是解释原子速度可能变小的比较重要的原理,文章中反倒没有提到,呵呵。此外,这里说的速度变小指的是*平均动能*变小,每个原子动能变化的量是不一样的,如果不小心发射的光子和原来的光子方向一样,动量会不变的。

  3. 土人孙世斌说道:

    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。
    有一个错别字呃,“决定”应为“绝对”吧。

  4. ayumi说道:

    为什么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呢?不是不同的能级会发出不同的光么。。

    • 沐右说道:

      不同的能级对应不同的谱线,远离谱线的光能量跟能级就对应不上了。

      • ayumi说道:

        恩。。可是为什么非要是谱线中心位置的才最有影响力呢?

        • 游客说道:

          应该是这个波长的光最容易把对应原子上的电子激发到激发态吧

  5. 风吹水流说道:

    "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".
    所有粒子运动速度为零:粒子的运动可分为不可分割的两个方面:粒子自身的内在运动;粒子与粒子间或环境的相对运动。粒子自身的内在运动就好象汽车的发动机与传动系统及车轮;粒子与它之外的相对运动就象汽车与路面、空气、树木房屋及其他汽车。
    “所有粒子运动速度为零”所指哪一方面的运动呢?如何处理粒子两方面运动的关联性?
    “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”。六面都有单频激光,我们如何不受干扰地确切地感应测量中间被冷却的原子的温度????

    • 沐右说道:

      对于一个单原子气体来说,你说的内在运动是什么? 对于每个分子含有多个原子的情况,可以有振动和转动的运动。
      这里指的是粒子相对于实验室坐标系做的运动

      要测量被冷却原子的温度的话,一个方法是把光势阱关掉,然后看被束缚的原子团随着时间变化位置分布的变化。从中可以得出原子的平均速度。

  6. hh说道:

    为什么激光又能够加热呢?是不是所有吸收光谱里的光都能制冷?为什么要用钠气体,箔片不行吗,大块有什么区别

    • 沐右说道:

      一般情况下,激光和物体相互作用的时候,能量会被物体吸收,这样子就加热了。
      原则上来说,所有的谱线都能够用这种多普勒的方式来制冷,但是实验上来说有激光器波长、制冷效果等限制因素,不是所有的波长都能实现实际的制冷效果。

      对于固体来说,一个原子发射的光子会被另外一个原子接收到的,不能达到降温的效果。反而这样子会使得固体吸收光的能量而温度升高。

      • wsxxswsxxs说道:

        这么说来,(固体的表面积/激光的入射面积)=固体包含的原子数,是激光由制冷到制热的一个临界点喽。

  7. 计科社区说道:

    第一次来,下次还来

  8. 歪楼说道:

    歪一下楼啊,呵呵,“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。”这句话似乎举例不恰当吧,这俩词全部说的是行为和目的相反啊。

  9. Metaverse说道:

    这种方法只对气体有效么?

    • 沐右说道:

      是的,对于固体来说,一个原子发射的光子会被另外一个原子接收到的,不能达到降温的效果。反而这样子会使得固体吸收光的能量而温度升高。

      • 暴雨中的小鸡说道:

        气体就不会一个原子发射的光子会被另外一个原子接收到吗?

      • 徐军说道:

        不降温就升温(应该不会温度不变),把么升到一定的温度,物态变化。。。固变气之后应该会出现气体降温吧? [可爱]

  10. 游客说道:

    这里有一个小小的错误:"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。" 实际上由于量子原理,一个粒子速度为0,意味着其速度和位置能够同时精确确定,但这是不可能的,所以极限低温不是热力学温度的绝对零度,二是绝对零度之上的某个值。这个值可以根据量子理论计算得到

    • HelloBeauty说道:

      仔细看,作者有讲了:“要记得,我们只能尽量接近绝对零度,而不能达到。”

    • 游客说道:

      为什么粒子达到绝对零度时位置和动量就能同时确定?用来探测粒子位置的光子还是会扰动粒子的速度,换言之它会给粒子提供能量

  11. 好听的音乐,好玩的百家乐

  12. kfire说道:

    这也算是一种接触吧,更“无形”的接触,呵呵,有没可能用意念去降温

  13. 暴雨中的小鸡说道:

    为什么不能在原子的另外一面发生散射?

  14. 08982468说道:

    这这这......不可思议......

  15. fsfjxe说道:

    反正这里的文章就是罗嗦

  16. 梶橙说道:

    目测文章内容还需要改进啊。。。不确定性原理没几个人能懂吧

  17. 突然想起来回来请教,如果有某种气态的荧光分子,比如荧光素钠的蒸汽,或者量子点,是不是也可以用激光来冷却?

    • 沐右说道:

      我觉得,应该也是可以的

      • 可惜不那么容易能把荧光素这样的大分子搞成蒸汽,不是气态好像还不行。
        看来核心是气体分子接收一个方向的动能,通过本身发光随机像各个方向释放动能,从而达到降温的目的。有什么气体还可以发光呢?等离子体之类的好用么?那种玩具的辉光灯

  18. 爱生活说道:

    这个想法背后的理由,和凯利先前用来质疑激进反科技份子的理由一样:历史前进至今,自然农耕、采集和狩猎已经成为最无效率、产量最低的维生方式之一。若我们有理由认为自然生活对科技生活的全面取代,会造成人类因缺乏资源而大量死亡,那么我们也很可能会有理由认为,既然“自然生活园区”造成的资源损失如此重大,那么温和反科技份子要求的自然生活,就像游艇一样是会排挤别人生计的昂贵礼物,我们没有义务给。突然想起来回来请教,如果有某种气态的荧光分子,比如荧光素钠的蒸汽,或者量子点,是不是也可以用激光来冷却?

  19. 爱生活说道:

    这个想法背后的理由,和凯利先前用来质疑激进反科技份子的理由一样:历史前进至今,自然农耕、采集和狩猎已经成为最无效率、产量最低的维生方式之一。若我们有理由认为自然生活对科技生活的全面取代,会造成人类因缺乏资源而大量死亡,那么我们也很可能会有理由认为,既然“自然生活园区”造成的资源损失如此重大,那么温和反科技份子要求的自然生活,就像游艇一样是会排挤别人生计的昂贵礼物,我们没有义务给。突然想起来回来请教,如果有某种气态的荧光分子,比如荧光素钠的蒸汽,或者量子点,是不是也可以用激光来冷却?

  20. www.52taller.com说道:

    用激光来制冷?可能吗?

  21. aaa说道:

    记得8,9年前看过的一篇文章是通过降低整体熵来降温,把散落的无序小磁针瞬间磁化...

    • 沐右说道:

      绝热去磁制冷,首先把磁体磁化,然后去掉外场,磁体的磁性消失的过程中会吸收外界的热量。

  22. HES说道:

    我想到了红警3盟军的激光冷冻直升机...很强大

  23. 欧阳说道:

    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?

  24. 818手机说道:

    亏你想得出

  25. 天马行空说道:

    有一点我有点想不通,就是,降温后,分子的动能转化为什么能了?

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