人類已經(jīng)耗費了100多年的時間，試圖達到絕對零度，盡管還沒有到達目的地，但這段神奇的旅途已經(jīng)為人類提供了很多絕美的“風景”，促使科學家們做出了很多重要的研究發(fā)現(xiàn)，其中最著名的當屬大型強子對撞機（LHC）內(nèi)使用的超導體；以及有望成為量子計算機的量子比特的馬約拉納費米子等。這或許是一段永無止境的追尋。

　　據(jù)英國《新科學家》雜志網(wǎng)站6月25日報道，到達絕對零度是一個令人想來就會心生膽怯的目標，一百多年來，人們上下求索，但從未到達，不過，這絕非一場堂吉訶德般徒勞無功的探索，而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一樣，是一場處處有驚喜的奇幻之旅，這段探索之旅催生了很多科學奇跡，是自然饋贈給人類的“意外之禮”。

　　絕對零度：諾貝爾獎催化劑

　　我們很小的時候，就開始與溫度打交道。父母們總是會不厭其煩地確保孩子房間里溫暖如春；洗澡水的溫度“剛剛好”；而有些東西則“太燙了，不能碰”。

　　隨著我們慢慢長大，我們開始用數(shù)值來表示對溫度的感覺。我們知道，水到了零度就會結(jié)成冰；氣溫20攝氏度左右，會讓我們感覺涼爽宜人；人體處于37攝氏度時最舒服自在。隨著我們對溫度的認識不斷強化和深入，在某個節(jié)點上，或許是在上學時，我們同另一個遠離日常生活的溫度——絕對零度狹路相逢。

　　絕對零度就是開爾文溫標定義的零點。0K約等于攝氏溫標零下273.15度。絕對零度是冷的極致，是一種理想的無法達到的完美冰冷狀態(tài)，就如瑞典著名兒童文學女作家、國際安徒生獎獲得者阿斯特麗德·林格倫在其名著《米歐，我的米歐》中描述的浪漫且神秘的“遙遠之國”一樣，是一個人類會無限接近，但永遠也無法到達的“美麗新世界”。

　　但即便如此，自從這一概念于十九世紀中葉首次出現(xiàn)以來，很多人終其一生的努力目標就是離它更近一點。這看起來是一場堂吉訶德式（崇高但無實際意義）的追尋，但實際情況并非如此。

　　今年是首個與絕對零度有關的諾貝爾物理學獎被授予100周年，自此，絕對零度就像諾貝爾獎的催化劑一樣—科學家們在追尋絕對零度的過程中，做出的很多美麗的意外發(fā)現(xiàn)多次摘得諾貝爾獎的桂冠。例如，華裔物理學家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術制冷法而與另兩位科學家分享了1997年的諾貝爾物理學獎。2001年的諾貝爾物理學獎由因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài)的德國科學家沃爾夫?qū)?middot;克特勒摘得等等，不一而足。

　　在邁向絕對零度的過程中取得的每個進步，都展示出了一些別樣的、獨一無二的美麗和有序；催生出一批工程上的奇跡；強化了我們對一些基本科學概念的理解，尤其是對溫度和物質(zhì)概念本身的理解。

　　絕對溫度之下：萬籟俱寂

　　對溫度的熟視無睹會使我們很容易忽略這一概念常常會給我們帶來多大的驚喜。早期的自然哲學家，比如意大利物理學家、天文學家、哲學家、近代實驗科學的先驅(qū)者伽利略·伽利雷，英國物理學家、數(shù)學家、天文學家艾薩克·牛頓，英國化學家羅伯特·波義耳將熱看成是名為熱質(zhì)（caloric）的液體，這一說法的影響可謂十分深遠——直到今天，我們?nèi)匀徽f熱“流”。而另外一些哲學家則認為，冷是由一些“致冷原子”造成的。以前，人們希望能可靠地測量熱和溫度的諸多嘗試大多以失敗告終。早期最有用的溫度計依靠液體受熱會膨脹的原理來工作。少量液體被局限在一個玻璃燈泡或狹窄的玻璃管內(nèi)，人們首先將兩種固定情況下（比如暴露在沸水或正在融化的冰中），液面所在的位置標示出來，未知的溫度（熱度）則用這兩個固定點之間某個刻度來表示。問題在于，這一測量方法會導致“第22條軍規(guī)”的出現(xiàn)：溫度計標示刻度的前提是，液體在不同的溫度下，都以同樣的方式膨脹，但如果不測量液體隨溫度的膨脹情況，就無法對這一假設的真?zhèn)芜M行驗證，而要進行這種測量，就必須要有一支溫度計。

　　這種情況直到19世紀40年代才發(fā)生改變。法國化學家、物理學家亨利·維克托·勒尼奧進行了一個精巧的實驗，他用一支溫度計對一個密閉容器內(nèi)干燥氣體在壓力下的變化進行了測量，從而建立了一套可靠的可重復性的溫度讀數(shù)。對于科學界和工業(yè)界來說，這不啻為一個福音，但是，這仍然沒有真正解釋清楚，我們究竟在測量什么。

　　早期人們使用多種刻度來標注溫度，關于溫度的這種困惑由此可見一斑。有些標記直到今天我們?nèi)匀辉谑褂?，比如使用水的不同屬性來校準溫度的攝氏度和華氏度。

　　攝氏度是目前使用比較廣泛的一種溫標，它由18世紀瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯提出。攝爾修斯把一個大氣壓下水的沸點定為零度，冰點定為一百度，其間分成一百等分，一等分為一度。但在使用中，人們感到很不方便，因此，攝爾維斯第二年把該溫度表的刻度值顛倒過來使用。又隔兩年，瑞典著名博物學家林耐也使用了這種把刻度顛倒過來的溫度表。這種溫度表仍然稱為攝氏溫標（又叫百分溫標）。后人為了紀念安德斯·攝爾修斯，用他的名字第一個字母“C”來表示。

　　華氏度是以其發(fā)明者德國人加布里埃爾·華倫海特的名字來命名的。1714年，華倫海特發(fā)現(xiàn)，液體金屬水銀比酒精更適宜制造溫度計，因此，他以水銀為測溫介質(zhì)，發(fā)明了玻璃水銀溫度計，并選取氯化銨和冰水混合物的溫度為溫度計的零度，人體溫度為溫度計的100度，他把水銀溫度計從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1℉”。

　　歷史的車輪行進到19世紀晚期，英國物理學家威廉·湯姆森，也就是后來的開爾文勛爵首先想到，我們或許可以使用一套不依賴任何物質(zhì)屬性的絕對溫度標記來測量溫度。開爾文勛爵建立的新溫度標度稱為絕對溫標，它的量度單位稱為開爾文（K）。這種標度的分度距離同攝氏溫標的分度距離相同。它的零度即可能的最低溫度相當于攝氏零下273度（精確數(shù)為-273.15℃），被稱為絕對零度。

　　但是，開爾文勛爵開出的這個“秘方”只適用于理想氣體，因此，在熱力學形成后，人們發(fā)現(xiàn)絕對溫標有更深刻的物理意義，特別是開爾文論證了絕對零度不可達到后，科學家們便將絕對溫標改稱為熱力學溫度（溫標），并用開爾文（Kelvin）第一個字母K為其單位。

　　曾幾何時，那些偉大的名垂青史的科學先驅(qū)們竟然不理解萬事萬物都由原子組成，這真讓人難以想象，但這的確是事實。只有理解了萬事萬物都由原子組成這一點，溫度的本質(zhì)才水落石出。熱是原子運動產(chǎn)生的動能，溫度是對原子運動速度的衡量，更精確來說，溫度測量的是分子平均運動速度的平方。在日常生活中，當我們感受到某個物質(zhì)的溫度時，就學院派的觀點而言，我們正在感覺的是物質(zhì)的“躁動”。一旦我們接受物體中的分子在不斷抖動這一觀念，絕對零度的定義也就呼之欲出：它就是讓原子完全靜止的溫度。接下來的問題是：在什么溫度下會發(fā)生這種情況呢？#p#分頁標題#e#

　　線索來自那些行家里手。17世紀，法國的一位樂器制造者紀堯姆·阿蒙東發(fā)現(xiàn)，將密封在瓶中的一定體積的空氣溫度降低，瓶中的氣壓也會隨之降低。他由此推斷溫度降得越低，氣壓就會越小，最終會在某個溫度下完全消失—我們現(xiàn)在認為，這一溫度大約為零下300攝氏度。后來，隨著人們對理想氣體的溫度和壓力的測量日益精確，人們發(fā)現(xiàn)，這一數(shù)值并不算太離譜?，F(xiàn)在，絕對零度被定義為開爾文溫標下的零點，大約為-273.15攝氏度。

　　追尋絕對零度：永不落幕的故事

　　一旦我們厘清了絕對溫度真正的含義，到達絕對零度的馬拉松比賽的發(fā)令槍就真正打響了，那時是19世紀晚期。正如差不多同時上演的、前往地球上人煙罕至的南北兩極的競賽一樣，這也是前往未知的旅程。所不同的是，后者勝負已分，而對絕對零度的追尋將永不落幕。

　　為什么這么說呢？為了理解這一點，我們不妨想象一下冰箱的工作原理。冰箱的內(nèi)壁會與更冷的物質(zhì)（一般是一些不斷循環(huán)的制冷劑）接觸，這樣，熱量就不斷從冰箱內(nèi)流入制冷劑，從而給冰箱內(nèi)的物體降溫。同理，如果想要熱從你想要讓其達到絕對零度的物體那兒流出，那么，制冷劑的溫度就必須低于絕對零度，但這是一項不可能完成的任務：你無法讓分子運動得比靜止還慢。你最多只能希望，它們盡可能接近靜止而已。

　　冰箱內(nèi)的制冷劑通過膨脹來給冰箱降溫，在這一過程中，冰箱內(nèi)的壓力會降低，因此，分子運動的平均速度會減少。最開始，人們也曾用同樣的技術來獲得更低的溫度?？茖W家們讓一種又一種氣體在壓力下冷卻，然后再讓它們快速膨脹，使氣體的溫度一次比一次低，科學家們甚至也會讓氣體凝聚，從氣態(tài)變成液態(tài)。

　　在這樣日復一日氣體溫度不斷降低的過程中，日歷翻到了19世紀70年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰用讓氣體不斷膨脹的方法在零下183℃得到了液態(tài)氧，接著，在零下196℃得到了液態(tài)氮。但是，在他的時代，沒有人會預想到這兩種物質(zhì)在20世紀會變得如此“遍地開花”。要是讓當時的人們對這兩種物質(zhì)的用途進行預測，“消疣除痣”和“瞬間制冰淇淋”絕不可能榜上有名。

　　隨后，1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦在零下250℃得到了液態(tài)氫之后，就只剩下氦氣還未被征服了。氦原子之間的相互作用力非常微弱，這就使它成為最難被凝聚的氣體。但不管怎樣，讓氦原子最終變成液體的無數(shù)努力和天才設想最終還是有了回報：1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的?？?middot;卡末林·昂內(nèi)斯實現(xiàn)了4.2K的低溫，首次獲得了幾立方厘米液態(tài)氦。超低溫下的美麗新世界

　　液氦成為通向全新的物理世界的一把鑰匙。就在獲得液氦之后不久，昂內(nèi)斯就發(fā)現(xiàn)，在極低的溫度下，有些金屬會變身為超導體。冷卻到特定的臨界溫度之下，這些金屬的電阻會陡然下降至少15個數(shù)量級，幾乎與零無異。諾貝爾獎委員會沒花多長時間就認識到了昂內(nèi)斯工作的重要性，1913年，將諾貝爾獎授予了他。盡管超導技術迄今還沒有像人們曾經(jīng)希望的那樣隨處可見，但是，它已經(jīng)出現(xiàn)在了核磁共振成像儀的磁鐵里；位于瑞士日內(nèi)瓦郊外的大型強子對撞機（LHC）中的功能超強的磁鐵里也有它的“倩影”，正是借助這一磁鐵的威力，科學家們才能將質(zhì)子束約束在LHC的環(huán)形軌道中。

　　然而，最讓人驚嘆的低溫現(xiàn)象或許還不是超導，而是在液氦誕生的那天，發(fā)生在昂內(nèi)斯眼前的那一幕。透過密封隔離的玻璃容器內(nèi)的小縫隙，他窺見幾乎完全透明的液體在翻滾。本來，將液面上的液氦蒸汽從容器中吸出，可以將運行速度最快的液氦分子移出容器，從而進一步給液氦降溫，但實際情況卻是液氦反而沸騰得更加劇烈了。

　　但接下來，當溫度降低到一定程度（我們現(xiàn)在知道是2.17K）時，翻滾的氣泡突然停止了翻滾，液氦變得如死一般安靜。數(shù)年之后，答案才揭曉。原來，部分液氦突然進入到了一個全新的狀態(tài)：超流體，這是一種可以完全無阻礙地流動且能完美導熱的狀態(tài)。不管何時，只要部分液氦變得更熱并開始形成氣泡，超流體都會在氣泡形成之前將熱帶走。

　　超流體是超低溫下具有奇特性質(zhì)的理想流體，即流體內(nèi)部完全沒有粘滯。超流體和超導體都是超低溫現(xiàn)象，但超流體所需的溫度比超導還低。

　　超流體其中一個重要的應用是稀釋致冷機。超流氦-4也已成功用作化學領域光譜分析技術的量子溶劑。超流體亦用于高精度儀器，如陀螺儀；它還可以量度一些理論預測的引力效應。另外，2002年，德國科學家實現(xiàn)，銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。

　　而且，美國麻省理工學院的物理學家在劍橋發(fā)現(xiàn)一種新物質(zhì)態(tài)：超流氣體。這種物質(zhì)是50nK（納開，十億分之一開爾文）的鋰-6。此外，2004年，美國賓州州立大學的物理學家發(fā)現(xiàn)了超固體，當氦-4在高壓冷凍到2K以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動。

　　更令人驚異的發(fā)現(xiàn)接踵而至。氦原子通常包含有兩個中子、兩個質(zhì)子，因此，最常見的氦原子一般為氦-4，然而，還有一種比氦-4罕見數(shù)千倍的同位素氦-3，其只有一個中子。這些更輕的氦-3中子會在3.2K而非4.2K凝結(jié)，而且，一旦被液化，兩者的行為迥然不同，例如，氦-3的黏性不僅沒有減弱，反而會變得更強。

　　誰能想到，僅僅一個中子之差就會讓一種液體的物理屬性發(fā)生如此巨大的變化？但它們并非罕見的現(xiàn)象，而是在我們的生活中隨處可見，只不過我們的肉眼凡胎，沒有意識到普通物質(zhì)本身是多么令人驚奇而已。“幕后黑手”：量子力學

　　這些貌似怪異的行為背后存在著一個普遍的真理，那就是，我們所身處的世界是一個由量子力學所支配的世界。只有當?shù)蜏刈屵@些隨機波動減少之后，這一點才水落石出。例如，我們看到，氦原子之間的相互作用如此微弱，導致量子機制讓這些氦原子不用麻煩地四處“跳來跳去”就可以交換位置。這種量子交換使這兩種氦能在能達到的最低溫度下保持液態(tài)。實際上，計算表明，在標準大氣壓下，氦即使在絕對零度下也會保持液態(tài)。

　　了解量子現(xiàn)象正是人們繼續(xù)追尋絕對零度的理由之一。氦-3和氦-4在液態(tài)下的不同屬性成為我們繼續(xù)探索的墊腳石。在名為稀釋制冷機的設備內(nèi)，氦-4的超流態(tài)會讓液態(tài)氦-3表現(xiàn)得像氣體一樣，有效地蒸發(fā)進氦-4組成的“真空”內(nèi)，從而使整個裝置的溫度下降到0.001K，也就是1毫開爾文（mK）。在這一溫度下，氦-3本身也變成了超流體，但其擁有磁性。

　　如果冷卻到0.001K算很困難，那么，繼續(xù)朝下冷卻則“難于上青天”。所有物質(zhì)的導熱率都會隨著溫度的下降而陡降，這意味著，溫度越低，將熱量從某種物質(zhì)中移走需要更長的時間。與此同時，在低溫下，所有物質(zhì)的熱容量（單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收或放出熱量引起溫度升高或降低時，溫度每升高1K所吸收的熱量或每降低1K所放出的熱量）會變得微乎其微，因此，任何用來研究物質(zhì)的實驗都需要將該物質(zhì)加熱。假如像一只蝴蝶那樣輕的一個物體從10厘米高的地方落下，落在一塊1平方厘米、溫度為0.001K的銅上，撞擊產(chǎn)生的能量足以讓銅塊的溫度上升100倍。#p#分頁標題#e#

　　還好我們有一些變通的方法，至少對少量的物質(zhì)能起作用。對于那些只包含數(shù)十億個原子的氣團，我們可以采用逐個冷卻的辦法。激光光子會同每個原子相互撞擊，帶走動能并讓原子的速度慢慢降下來。這種方法的原理仍然是使用一種物體帶走另一種物體的熱量，只不過現(xiàn)在使用的制冷劑更復雜一些而已。使用這一方法，我們能將原子的運動速度從1毫開爾文時的1米/秒降低到1nK時的1毫米/秒。

　　這一奇思妙想給我們的回報是，我們能排除混亂的熱力學干擾，探究在量子力學的支配下物質(zhì)的“一舉一動”。我們知道，從本質(zhì)上來說，超導是一種量子現(xiàn)象，但是，在花費了數(shù)十億美元之后，我們?nèi)匀粚δ承┏瑢w在130K以上溫度下的行為一無所知。通過制造出一些可控性更好的量子系統(tǒng)，我們就可以使用一團超冷的原子氣團，通過使用激光脈沖來探索和刺激原子之間的相互作用，來調(diào)查這種現(xiàn)象。

　　我們還能用無與倫比的超冷物質(zhì)的純量子支配環(huán)境來模擬中子星內(nèi)部的極端環(huán)境、基本粒子之間的相互作用以及宇宙誕生伊始的相變。在低溫下，電子之間的相互作用會制造出元激發(fā)（有時候我們也將其稱為準粒子），其質(zhì)量可達自由電子質(zhì)量的數(shù)千倍，剛好同在自由空間內(nèi)通過與希格斯場相互作用從而獲得質(zhì)量的基本粒子的質(zhì)量相當。同樣的，超導體內(nèi)的準粒子元激發(fā)最近被證明其行為類似于馬約拉納費米子。科學家們很早就預言了馬約拉納費米子的存在，其反粒子就是自己本身。

　　此刻，我們還看不到這些實驗獲得的結(jié)果有何直接用途。但是，有了上個世紀的前車之鑒，我們最好還是不要妄下斷言。

　　據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站2012年2月28日報道，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家李·考文霍夫在美國物理學會于當天舉辦的年度大會上發(fā)表演講時表示，他們或許已制造出了神秘莫測的馬約拉納費米子，這一粒子有望在讓傳統(tǒng)計算機相形見絀的量子計算中用來形成穩(wěn)定的比特。如果研究結(jié)果獲得證實，那將是物理學領域的重大突破。強大的量子計算機的實現(xiàn)，或許有賴于我們對低溫下物質(zhì)復雜性質(zhì)的掌握。

　　盡管此前已有其他團隊報告過馬約拉納費米子在固體物質(zhì)中“現(xiàn)身”的間接證據(jù)，但哈佛大學的物理學家杰·叟聽了考文霍夫的演講后表示，這是一個直接的測量，叟說：“我認為這是迄今最富成效的實驗，很難認為這不是馬約拉納費米子。不過，考文霍夫制造出的這些粒子是否足夠‘長壽’用來做量子比特還有待進一步的研究。”如果最新研究結(jié)果經(jīng)得起檢驗，將不僅率先制造出馬約拉納費米子，更是固體物理學領域的重大進步。人們認為，至今還沒有被直接觀測到的中性微子可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)，其可能是一種馬約拉納費米子。

　　盡管昂內(nèi)絲已經(jīng)將我們帶到了4.2k，但100年過去了，我們?nèi)匀辉诠タ私^對零度的最后一個堡壘，結(jié)果似乎有點差強人意。不過，我們不應該只盯著溫度不放，而是應該看到1K和1毫k之間、1毫K和1微K之間、1微K和1納K之間數(shù)千倍的差別會產(chǎn)生什么后果。

　　其實，科學家們每次獲得更低的溫度，都像是在為自然界這所大房子消除噪音，讓我們能更安靜地聆聽自然的低語。如果我們繼續(xù)冷卻下去，我們能在一個更加精微的新尺度上探索原子間的相互作用。即使到了1納K，距離底部仍然有很大的空間，隨后，我們會降到皮K（pK，10-12K），飛K（fK，10-15K），直至無窮。而此前曲折離奇的經(jīng)驗提醒我們，接下來會發(fā)生什么，無人知道。

　　背后故事：

　　1、朱棣文與“激光冷卻原子”

　　瑞典皇家科學院宣布，將1997年的諾貝爾物理學獎授予美國斯坦福大學華裔教授朱棣文博士和美法的另外兩位科學家，以表彰他們找到了用激光冷卻和捕捉原子的新方法——這一方法是朱棣文博士首先發(fā)現(xiàn)的，他用激光將氣體的溫度降到百萬分之一度，使冷卻的原子保持漂移，并被各種“原子陷阱”捕捉。捕捉到的原子越來越多，就會逐漸形成一種稀薄氣體，其性質(zhì)也就可以得到詳細研究——這是物理學理論研究的一項重大突破，極大地加深了人們對低溫氣體的量子物理狀態(tài)的理解。

　　制服原子 造福人類

　　1997年10月15日凌晨，睡夢中的朱棣文被一陣急促的電話鈴聲驚醒，他的研究生率先向他報告了獲獎的消息。超初，朱棣文還以為是學生跟他開玩笑，隨后，一個又一個探詢和祝賀的電話不斷打進來，朱棣文這才確信：“我是真得獎了。”

　　從事科學研究需要非凡的耐力和冷靜，對于朱棣文來說更是如此，因為他所從事的事業(yè)最講究“冷”和“靜”。記得中學上物理課時，曾做過有名的布朗實驗：把幾顆花粉浸入靜止的水中，花粉粒并不會馬上下沉，而是在水中作不規(guī)則的運動，這表明水分子本身在不規(guī)則地擾動。氣體原子或分子和液體分子一樣，也是時刻亂竄，而且活動范圍大得多，速度也快得多，大約在1千米/秒到10千米/秒之間。所以要在室溫下測量氣體原子的有些物理特性是很困難的。如何讓氣體原子慢下來？最直觀的結(jié)論是降溫。要使氣體原子速度降到足夠低，溫度必須降到絕對零度（－273攝氏度）附近，這時，幾乎所有的氣體都將凝成液體甚至冰晶。為了解決這一難題，朱棣文于1985年首次發(fā)明了“激光致冷捕捉”技術——用6束激光分別在上下、左右、前后方向上轟擊氣體，將氣體原子束縛在一個很小的區(qū)域內(nèi)，因而達到降低其速度的效果。氣體原子的速度降低了，溫度也就相應下降。就這樣，朱棣文和其他一些科學家在微觀世界里創(chuàng)造了一個異常“冷靜”的角落——原子變得非常聽話。

　　眾所周知，世界上的物質(zhì)都在空間不停地運動著，只是各自的運動速度不同而已。例如，原子是組成單質(zhì)和化合物分子的微粒，它在空間的運動速度可達每秒500米、每小時1800公里左右。長期以來，由于原子有著如此快的運動速度，科學家一直難以對其進行更深入的觀察和研究。為了準確地研究原子及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，物理學家們夢寐以求的是將原子運動的速度放慢直至相對靜止的狀態(tài)。1975年，美國斯坦福大學的肖洛和漢斯等物理學家提出一個設想，將激光的光子動量傳遞給原子，形成輻射壓力，使原子的溫度降低，以阻止原子的熱運動。80年代初，做了幾年博士后的朱棣文打算將此富有重大意義的研究進行下去。他設想用6個方向的激光束對原子進行照射，來達到冷卻原子、減慢原子運動速度的目的。在分子物理學中，研究氣體的原子與分子相當困難，因為它們即使在室溫下，也會以上百公里的速度朝四面八方移動，惟一可行的方法是冷卻。然而，一般冷卻方法會讓氣體凝結(jié)為液體進而結(jié)凍。朱棣文等3位學者則利用激光達到冷卻氣體的效果，即用激光束達到萬分之一絕對溫度，等于非常接受絕對零度（零下273攝氏度）。原子一旦陷入其中，速度將變得非常緩慢，因而容易俘獲，人們也就有足夠長的時間來觀察和研究原子的狀態(tài)。 

　　朱棣文開始做實驗是1984年，當時他是AT&T貝爾實驗室的量子電子技術部主任。1985年他取得了突破——用激光照射原子從而使其減速。原子對不同的光有不同的反應，朱棣文將激光微調(diào)到比共振稍低的頻率，從6個方向撞擊原子，使快速運動的原子在撞擊下產(chǎn)生“多普勒效應”。原子吸收光，被光撞擊后就被彈回去。這樣，原子運動的速度就下降到每小時1/10公里。朱棣文說：“此時的原子仿佛掉進了一個光子海中，它無論向哪個方向運動，都會受到巨大的阻力。”他形象而實在地將由激光束形成的這種用來冷卻原子的介質(zhì)稱為“光學粘膠”。朱棣文和他的同事們還成功地設計了第一個原子陷阱，使冷卻的原子不受重力的影響而下沉。

　　據(jù)介紹，朱棣文從事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉研究，有著非常廣泛的實際用途。由于他的出色工作，科學家們從此就可以將原子“抓住”，不讓它們亂跑，也就能對懸浮在空間近乎不動的原子進行研究。許多科學家稱：“這項出色的工作不但有科學理論上的意義，也有實用的價值。”

　　使用這種方法，科學家們可以進一步了解光和各種物質(zhì)的相互作用，特別是氣體在超低溫狀態(tài)下的量子物理習性。70年前，愛因斯坦假設過在超低溫狀態(tài)下幾乎停止運動的原子群（玻色－愛因斯坦冷凝物），現(xiàn)在他們用這種方法實現(xiàn)了愛因斯坦的假設。開創(chuàng)華裔科學家問鼎諾貝爾獎先河的楊振寧教授說：“1925年，大物理學家愛因斯坦延續(xù)了印度科學家玻色的研究工作，提出‘玻色－愛因斯坦凝聚’理論，后來這項工作之所以能在實驗上再展新局，朱棣文等人雖然沒有直接做出這種奇特的凝聚現(xiàn)象，但為后來的工作鋪了路。”我國的量子光學專家也認為，從朱棣文等人的研究工作出發(fā)，有可能引申出稀薄氣體中的“玻色－愛因斯坦凝聚”，并由此而引出一個嶄新的領域——原子激光器的工作。

　　朱棣文的研究工作，不但使科學家獲得了一個新的研究手段，也將為人類帶來進步。他在接受記者專訪時說：“這項成果可以找到大量的用途，這些應用涉及到不同的領域，有材料科學方面的，也有對光與各種物質(zhì)相互作用的更為深入的研究。目前的應用還只是原子領域中的極小一部分，還僅僅是冰山一角。”

　　當原子被“抓住”后，不但原子的運動速度減了，而且原子也被“冷卻”了。據(jù)此，就可用來研制更精密的原子鐘，使原子鐘的精度可由10的-14次方提高到10的-16次方。這種新穎的原子鐘用于全球定位系統(tǒng)（GPS），能使全球的定位精度從現(xiàn)在的10米左右提高到小于1米的范圍內(nèi)。此外，各種重要的物理學數(shù)的測量精度也可由此而大幅度地得到提高。利用朱棣文教授開發(fā)的這項實驗技術，可以研制高靈敏度的原子干涉儀（也稱“原子陀螺”），用來更精確地測量地球表面不同地點重力加速度的變化，從而揭開地球上的許多謎團，在石油勘探和找礦以及測定地球自轉(zhuǎn)速度和預報地震等方面，都具有重大的應用前景。比如探礦，如果地下有礦藏的話，它的質(zhì)量要比土壤大，相對應的重力也“大一些”。但這個所謂的“大一些”，僅僅只是大于相對應的地表重力加速度的幾億分之一，用現(xiàn)在傳統(tǒng)的方法是根本測量不出，但采用“原子陀螺”就能測出，從而精確地判明礦藏的儲量和位置。

　　在生物科技方面，生物學家正在期望著盡早將朱棣文等人開發(fā)的“激光冷卻原子”技術引入人類基因組項目的研究中，因為解開生物體的遺傳密碼，需要先對DNA進行分段?？茖W家認為，利用“激光冷卻原子”技術可以測量DNA片段的物理特性，這有助于推進人類基因組計劃的研究。10年前，朱棣文和他的兩個同事發(fā)現(xiàn)，用激光束（“激光鑷子”）可以操縱浸沒在水中的細菌等極細微的物體?，F(xiàn)在他正用這種方法來研究單獨的分子聚合體。塑料、合成纖維和活細胞中的脫氧核糖核酸中都有這種聚合體。過去科學家們只能把幾百萬、幾十億的聚合體放在一起研究，而朱棣文的實驗室則可以研究個體的聚合體。朱棣文和他的學生還用“激光鑷子”來研究蛋白質(zhì)在個體分子中的運動狀態(tài)。從1993年到1997年，他們在這方面的研究成果頗豐，有10篇論文發(fā)表在美國《科學》、《自然》等權威性刊物上。

　　此外，利用“激光冷卻原子”還可以對物理學基本規(guī)律進行驗證，如將采用“激光冷卻原子”制成的高靈敏度原子干涉儀放到空間的微重力環(huán)境中，就有可能最終驗證愛因斯坦的廣義相對論?？茖W家還可以借此研究“原子激光”制造精密的電子元件；也可以測量萬有引力，進一步發(fā)展太空宇航系統(tǒng)，進行準確的地面衛(wèi)星定位?？茖W家們普遍認為，這的確是一個了不起的研究成果。

　　2、光纖激光陣列引入LHC

　　據(jù)國外媒體報道，一個國際科學家聯(lián)合小組設計了新的強大激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)有上千個光纖激光（fiber lasers）的陣列組成，可以用來在實驗室進行基礎研究和更加廣泛的應用，如質(zhì)子治療和原子核嬗變。該研究發(fā)表在了最新一期的《自然光子學》上。

　　激光可以提供非常短暫的測量手段，可以精確到飛秒（10^-15），瞬間釋放的功率可以高達10^15瓦，是全球發(fā)電功率的上千倍。然而，阻礙高強度激光廣泛應用的有兩個方面：一是高強度激光通常每秒只能發(fā)出一個脈沖，而實際應用中則要求能提供上萬次脈沖；二是高強度激光能量利用率非常低，輸出的激光能量只是輸入電能的很小一部分，大部分以熱能的形式散發(fā)，在實際應用中要保持穩(wěn)定的高功率輸出是非常不經(jīng)濟的。最新研發(fā)的這種“光纖激光”陣列不但能提供穩(wěn)定的光脈沖，而且能量利用效率也大大提升?？茖W家可以利用它研制一種緊湊型粒子加速器（Compact accelerators），可以在數(shù)厘米的距離上把粒子的能量提升到很高的水平，而傳統(tǒng)的粒子加速器的加速距離則高達數(shù)公里。當今天的加速器體積做的越來越大，耗資越來越高的時候，這種用激光驅(qū)動的加速器會越來越受到青睞，或許新一代LHC會采用這種手段。