陳帥：和原子跳個舞

　　如果有一支原子軍隊的話，陳帥無疑能夠擔任這支隊伍的首席指揮官。這位34歲的中國科技大學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，“當玩具一樣擺弄”。

　　“我就像個導演，可以指揮原子做水平運動，或是原地轉個圈。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，是物理學家獲得冷原子的經典方法。這是人類有史以來第一次操控微觀粒子。

　　7月底，陳帥應邀前往澳大利亞參加第22屆國際原子物理學會議。他驚訝地發現，會上提交的議題差不多都跟冷原子有關。有的用冷原子做精密測量，有的測量基本常數，有的測算時間，還有人提出用冷原子模擬凝聚態物理。

　　“冷原子好熱啊。”陳帥感嘆道。在他看來，假如人類尚未發現這項技術，恐怕當代物理學的很多研究都將停滯不前。

　　捉住原子，再囚禁起來

　　啟動激光器之后，陳帥緊盯著真空腔里的變化。不到1秒鐘的時間，面前閃現出一個不易察覺的圓點。它像正在充氣的氣球那樣急速膨脹，最終形成一個直徑5毫米的暗紅色小球。“可以數數了。”陳帥自言自語道。這團小球里大約匯聚了10億個銣原子。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現一樣，捕捉冷原子的技術也是一次意外的收獲。

　　“最初科學家們只是想獲取更精確的時間。”在講述這段科學史的時候，陳帥掏出他的諾基亞手機擺在桌子上，“現在年輕人習慣用手機計時，實際上這和過去鐘表計時相比，其原理都是一樣的。”

　　學過中學物理的人都知道，物體都在以一定的頻率振蕩，通過振蕩頻率，就知道時間的長短。最簡單的例子是單擺，如果擺動一次是一秒鐘，在特定條件下擺動100次就是100秒。但這種計時方法只能精確到秒。后來，科學家們發現，在零磁場的情況下石英晶體會發出固定的振蕩脈沖，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。

　　“人們永遠都想測得更準。”陳帥說。后來科學家發現，銫原子躍遷發出的電磁波頻率，比其他物質更為準確。在1963年召開的第13屆國際計量大會上，科學家們給時間下了一個定義，即銫原子Cs-133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩 9192631770周所持續的時間為1秒。這個標準一直沿用至今。

　　但原子的無規則熱運動卻成了精密測量的巨大障礙，有些原子在常溫下的速度高達到數百米每秒。只有讓原子飛得慢點，甚至把速度降到零，才可能把時間數準。而唯一的辦法就是讓原子的溫度趨近于絕對零度(-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，對人類來說，0攝氏度的冰已經夠冷了，但是在原子看來還有273.15攝氏度的高溫。液氮是-196攝氏度,在這個溫度下，空氣都變成了液態，但對原子來說，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，金屬的電阻都會消失，出現超導現象。可是對原子來說，雖然涼快多了，也還不夠冷。傳統低溫技術可以制冷到10-3開爾文，冷是很冷了，但此時大部分物質都變成了固體，無法保持觀測原子所必須的氣態。

　　直到1975年，德國物理學家漢斯提出了一個設想，可以用激光降低原子的動能，從而給原子制冷，這就像以噴水的方式來使一個行進中的小球靜止下來，讓它懸浮在空中，任由人們看個明白。

　　漢斯因提出并開發飛秒光梳來進行頻率測量的技術而獲得2005年諾貝爾物理學獎。盡管他并沒有用實驗印證自己當年的設想，但這個想法也被視為其一生中最偉大的成就。

　　你從前打獵，總是打不著反應敏捷的土撥鼠，現在終于找到一支精度和射程俱佳的好槍

　　最先完成漢斯設想的，是美國現任能源部部長朱棣文。中國人大都知道，這位華裔物理學家獲得了1997年諾貝爾物理學獎，而其獲獎原因正是“發明了用激光冷卻和捕獲原子的方法”。

　　1985年，朱棣文和他的團隊在貝爾實驗室用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6束激光的交匯處。在這個小區域里，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光氣團。由 6束激光組成的阻尼機制就像某種黏稠的液體，原子陷入其中會不斷降低速度。科學家給這種機制起了一個綽號，叫“光學黏膠”。

　　然而在上述實驗中，原子只是被冷卻，并沒有被捕捉到，重力會使它們在1秒鐘內從“光學黏膠”中落下來。1987年，朱棣文團隊做成了一種“磁光陷阱”，其中會產生一個比重力大的力，把原子拉回陷阱里去。此時原子雖然沒有真正被捉住，卻被激光和磁場約束在一個很小的范圍里，從而可以在實驗中加以研究和利用。

　　陳帥還記得，在朱棣文發表的第一篇論文里，原子的溫度降到了100微開爾文這個量級。后來，別的研究團隊后來居上，陸續創造出更低的溫度。

　　在給冷原子降溫的歷程中，每一點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置入“磁阱”或靠“光阱”蒸發的辦法把溫度降到10-9開爾文這個量級，從而獲取“人為制造的宇宙中最冷的物質”。在這個過程中，科學家實現了“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言，存在另外一種物質狀態——即當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態。此時，所有的原子就像一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。但直到1995年，這一神奇的現象才在實驗室中得到充分的顯示。美德3位物理學家因在“稀薄氣態堿金屬原子的玻色-愛因斯坦凝聚”中的開創性工作而獲得2001年諾貝爾物理獎。

　　在短短的8年時間內，冷原子物理領域就誕生了3個諾貝爾獎。如今，冷原子物理已經成為最熱門的交叉學科。“想在物理學上有所突破的人，都必須了解這一新興的技術手段。”陳帥說，“這就相當于，你從前打獵，總是打不著反應敏捷的土撥鼠，現在終于找到一支精度和射程俱佳的好槍。”

　　科學之所以能不斷突破，是因為人們永遠都想測得更準些

　　陳帥還記得，11年前第一次看見冷原子的情景。當時用的是肉眼看不到的銫原子。經過一天的光路調試，紅外監測屏上終于出現了一個“閃亮的光球”。當時剛念碩士研究生二年級的陳帥覺得“好神奇”。他記得在中學物理老師的描述中，原子是構成物質最小的單位，是“看不見且摸不著的”。

　　如今，陳帥早已在捕捉冷原子實驗方面駕輕就熟。最近，他正在嘗試用不帶電的原子模擬出帶電粒子的行為，構造一種特別的場。

　　近幾年冷原子物理不僅經歷了一個又一個研究高潮，而且呈現新成果更新期縮短的趨勢。美國國家科學基金會專門撥款組成由哈佛大學和麻省理工學院共同管理的國家級超冷原子研究中心。英國、加拿大、日本、韓國也都成立了相應的機構，同時把超冷原子物理研究列為今后四大科學與技術研究方向之一，給予全力資助。

　　“這些國家干嗎把最強的研究機構、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，按人類的意愿改變原子分子間的排列組合，長久以來是人類的一個夢想。在經典世界，人類的操控能力很強，可以發射機器人到太空采集樣品，進行分析，并把分析結果的信號傳回地球。但是人類對微觀世界的操控能力遠未達到這樣的水平，這對物理學家是極大的挑戰，也決定了科學發展的未來。

　　據悉，中國在冷原子物理方面的投入正在逐年加大。今年批準的物理方面的10個“國家重點基礎研究專項”(973專項)中，4項跟冷原子有關。一個國家級的冷原子實驗室也在籌建當中。

　　冷原子技術未來的應用相當廣泛。陳帥舉例說，目前中國正在研制自己的北斗導航定位系統。其中涉及時間等精確測量都要自己的知識產權。國際上利用冷原子技術制造的最精確的原子鐘，其精度已經達到數150億年才誤差1秒。

　　“追求精確時間也是人類追求極限的過程。”陳帥說，“科學之所以能不斷突破，是因為人們永遠都想測得更準些。”