最新技术可将分子冷却至绝对零度以上百万分之 50 摄氏度

最近，物理学家利用激光装置双次冷却的方式将氟化钙分子降温至历史记录最低温——绝对零度以上百万分之 50 摄氏度，创造了历史性的突破。研究发表在了《自然》物理学分册（Nature Physics）。

这项研究是由伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的低温物质中心（The Centre for Cold Matter）的研究人员完成的。他们所使用的技术与冷却单个原子所使用的技术十分相似。

粒子运动速度越快，温度越高，冷却原子或分子就需要减缓粒子的各种运动。目前使用的方法之一是利用原子在吸收或释放定量的光能时会丧失部分动能的特性对原子进行减速。

使用激光发生器，对被控制在磁场中的众多原子持续发射特定频率的激光。以特定速度接近激光的原子会吸收一个光子的能量，使原子中最外层一个电子进入下一个能量级。当这个电子返回原来的能量级时，这部分能量会以光子的方式被释放。光子的释放导致原子总体动能减少，缓慢减速。

这种方法叫做多普勒冷却。由于原子在释放能量的同时也在吸收能量，降温的幅度有限，温度极值被称作多普勒极限。

利用其他技术，对原子的冷却可以突破这一极限（低于多普勒极限的过程称为亚多普勒冷却），达到一万亿分之 50 开尔文（比绝对零度高 0.00000000005 摄氏度）。

但是，对分子的冷却十分困难。目前，科学家仅仅能强制被冷却的原子组成分子，或者将氟化锶分子降温到多普勒极限之上。当原子构成分子后，它们对同样的冷却方法的反应就会变得不稳定。

为了突破这个瓶颈，研究人员利用了一种叫做磁光阱的方法将氟化钙分子用磁场与激光控制在限定的区域中。这种方法实现了将分子降温至多普勒冷却极限。为了进一步突破极限，研究人员利用了另一种叫做西西弗斯冷却（Sisyphus cooling）的方法。

在古希腊神话中，西西弗斯被神惩罚，他必须将一块巨石推上山顶，而巨石到达山顶时又会滚回山脚，这样永无止境地重复下去。利用类似的永无止境式的工作周期，我们也能够使分子能量衰减。

科学家利用一对相反极化的激光，使得粒子在不断接收和释放能量的过程中逐渐丧失动能。这样一来，氟化钙分子就会被降温至 50 微开尔文（绝对零度以上百万分之 50 摄氏度）。尽管这还不及对单个原子的冷却温度，但和氟化锶分子的 400 微开尔文相比，温度已经大大降低。

绝对零度的极限可以看做粒子物理学中的芝诺悖论：我们永运都只能削减运动中粒子的一部分能量，一个拥有零热量的粒子在数学上是不可能的。但是对于绝对零度的探求为我们带来了意想不到的发现，并让我们能够研究粒子间互相作用力的根本原因。