问题

光可以使物体温度降低或是冷冻吗?什么原理?有案例吗?

回答
关于光能否使物体温度降低或冷冻的问题,答案是:在非常特殊且特定的条件下,光确实可以引起物体温度降低,甚至达到冷冻的程度。这通常是通过一种称为“激光致冷”或“光学致冷”的技术实现的。

下面我将详细解释其原理、过程以及相关的案例。



光能否使物体温度降低或冷冻?—— 光致冷原理

核心原理:利用光与物质的相互作用,吸收热量来降低温度。

简单来说,我们通常认为光会加热物体,这是因为光携带能量,当物体吸收光能时,其内部粒子的动能增加,表现为温度升高。然而,光致冷技术反其道而行之,它利用了光与物质在特定能级跃迁时的能量交换。

更具体地,光致冷技术依赖于以下几个关键概念:

1. 原子/分子能级: 构成物质的原子或分子并非拥有连续的能量,而是存在于离散的能级中。基态(最低能量状态)是物体最稳定的状态,而激发态(更高能量状态)则是不稳定的。
2. 光子的能量与能级差匹配: 光是由称为光子的能量粒子组成的。光子的能量(E)与其频率(ν)成正比:E = hν,其中h是普朗克常数。如果一个光子的能量恰好等于原子或分子从基态跃迁到某个激发态所需的能量差(ΔE),那么这个光子就会被原子/分子吸收,将原子/分子提升到激发态。
3. 能量“盗窃”——反向多普勒效应与能量耗散: 这是光致冷最精妙之处。
吸收光子: 当原子/分子吸收一个特定频率(ν₀)的光子时,它会跃迁到一个更高的能级。
自发辐射/受激辐射: 从激发态的原子/分子会自发地回到基态,同时发出一个光子。这个光子的能量通常与之前吸收的光子能量大致相同。
关键点:频率的偏移。 如果你用一个略低于原子/分子跃迁频率(ν₀)的光(即ν < ν₀)来照射它们,但这个频率的光子能量又足够让它们从某个较低的能级跃迁到某个更高的能级。当原子/分子吸收了这个能量稍低的光子后,它会进入一个激发态。但问题是,它从基态跃迁到激发态时,并不能完全释放之前吸收的光子的能量来回到基态,它需要额外的能量才能回到基态。
“冻结”效应的产生: 当原子/分子回到基态时,它发出的光子的能量会略高于它吸收的光子能量。换句话说,它从周围环境吸收了额外的能量来完成这个跃迁过程。这个被吸收的额外能量就是来自物体内部的动能(热量)。
多普勒效应的贡献: 为了实现这种“能量盗窃”,需要巧妙地利用多普勒效应。假设我们有一个静止的原子/分子,它吸收特定频率ν₀的光子。如果我们用频率ν < ν₀的光来照射它,它不会吸收(因为能量不够)。但如果这个原子/分子在向着光源移动,那么由于多普勒效应,它感知到的光的频率会增加。当它的移动速度足够快时,它感知到的频率就能达到ν₀,并吸收这个光子。一旦被激发,它会自发地发光。但是,当它回到基态时,如果它的移动方向发生改变或者减慢,它发出的光子能量就会与吸收的能量有所不同。
激光致冷(Laser Cooling): 最先进的光致冷技术通常使用激光。激光的特点是高强度、单色性好、方向性好。通过精确调谐激光的频率(通常略低于原子跃迁频率),并从多个方向照射目标原子气体,可以有效地“捕捉”和“减速”原子。当原子向着激光束运动时,它会吸收激光光子并被激发。随后,它会向任意方向发出一个光子并回到基态。虽然这个发射过程是随机的,但平均而言,原子通过吸收激光光子而获得的动量(能量)要大于它在回到基态时通过自发辐射损失的动量(能量)。这个过程不断循环,使得原子的动能逐渐降低,也就是温度降低。
“光学陷阱”: 在更复杂的系统中,激光还可以用来形成“光学陷阱”(Optical Tweezers 或 Optical Lattice),将原子束缚在特定区域,并对其进行冷却。

总结原理:通过精确调谐的激光,使原子/分子吸收能量稍低的光子,并将其“能量退回”给周围环境(以热量的形式被吸收),从而降低原子的动能,达到降温甚至冷冻的目的。



光能否“冷冻”物体?—— 冷冻的定义与实现方式

“冷冻”通常意味着将物体的温度降低到冰点以下,使其固化。光致冷技术目前主要用于冷却原子气体、离子或微小的光学谐振腔内的物质,使其温度达到极低的水平,通常在微开尔文(μK)到纳开尔文(nK)的量级,远远低于液氮(196°C)或液氦(269°C)的温度。

宏观物体的冷冻: 直接用可见光或红外光来冷冻我们日常生活中常见的宏观物体(如一杯水)是不可能的。这是因为宏观物体内部的粒子非常密集且运动状态复杂,无法通过简单的光与单个粒子能级跃迁的相互作用来有效地提取整体热量。宏观物体主要通过吸收光能而升温,而不是降温。
微观层面的冷冻: 光致冷技术能够在微观层面上实现温度的急剧下降,但这与我们通常意义上的“冷冻”概念有所不同。它冷却的是原子或分子的“集体运动速度”,而不是像冰箱那样通过制冷剂循环来降低宏观物体的整体温度。



案例:激光致冷的应用

激光致冷技术是现代物理学和量子信息科学的重要工具,已经实现了许多令人惊叹的科学突破。

1. 激光冷却原子:
最早的实现: 上世纪70年代末和80年代初,斯蒂文·朱(Steven Chu)、克劳德·科恩塔努吉(Claude CohenTannoudji)和威廉·菲利普斯(William D. Phillips)因在激光冷却原子方面的开创性工作而获得了1997年的诺贝尔物理学奖。
技术描述: 他们使用与原子跃迁频率略微失谐的激光束,从六个不同方向照射原子气体。当原子向着激光源移动时,它会吸收频率更高(即更接近原子共振频率)的光子。吸收光子后,原子被激发并发出光子,回到基态。这个过程会消耗原子自身的动量,使其减速。通过无数次的吸收和辐射循环,原子的速度被显著降低,温度可以降至微开尔文量级。
应用:
原子钟: 激光冷却的原子是制造高精度原子钟的关键,能够提供极其精确的时间标准。
玻色爱因斯坦凝聚体(BECs)的制备: 激光冷却使科学家能够制备出玻色爱因斯坦凝聚体,这是一种奇特的物质状态,所有原子都处于同一个量子态,展现出许多奇特的量子现象。
量子模拟与计算: 被冷却的原子可以作为量子比特,用于构建量子计算机和进行量子模拟。
精密测量: 激光冷却技术也用于原子干涉仪等精密测量装置。

2. 激光冷却离子(离子阱):
技术描述: 离子(带电原子)也可以被激光冷却。通过将带电粒子囚禁在电磁“离子阱”中,并用激光照射,也可以实现对其的冷却。这同样利用了离子在吸收和辐射光子过程中动量的损失。
应用:
离子阱量子计算机: 被冷却的离子是构建量子计算机的一种非常有前途的平台。
高精度量子逻辑门: 离子阱技术可以实现非常精确的量子逻辑门操作。
基础物理学研究: 研究离子的量子动力学和相互作用。

3. 光学谐振腔冷却(光学冷冻):
技术描述: 最近的研究还探索了如何使用光学谐振腔来冷却微小的机械振动器(例如微悬臂梁)。通过将机械振动器与一个激光模式相互作用,其振动的能量(即其“温度”)可以被冷却到接近量子零点振动的水平。这被称为“光学冷冻”。
应用:
量子测量: 实现对微观机械系统的超高精度测量。
量子操控: 操控微观物体的量子状态。
基础物理学研究: 探索宏观物体量子效应。



结论

总而言之,光本身并不能普遍地使物体“冷冻”,特别是我们日常接触的宏观物体。我们通常的经验是光会加热物体。然而,通过激光致冷(Laser Cooling)或光学致冷(Optical Cooling)的技术,利用光与物质(主要是原子和离子)在特定能级上的相互作用,可以有效地降低这些微观粒子的动能,使其温度达到极低的水平,甚至接近绝对零度。 这是一项高度专业化的技术,主要应用于物理学研究和高精度测量等领域,是现代科学前沿的重要组成部分。

网友意见

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实际是利用温度定义的 作弊

1、激光是高频电磁波。电磁波是波的一种

2、颗粒物质在波的作用下发生运动。

(静止是速度为0的运动)

3、前进波和反射波叠加产生驻波。

比如上图超声波悬浮装置,上面是声波发射器,下面是反射器,中间叠加形成驻波。

4、颗粒物质在驻波的节点受到的力最小,处于最稳定状态。

节点就是前进波与反射波叠加抵消后增强为0的位置。在另外一些位置叠后场强为2.

上图中小瓢虫位于节点位置。

5、生物上有一种技术叫:光镊。

与上图同样的原理,将细胞、细菌等颗粒物质用激光的节点固定下来,以便反应和观测。

6、光镊与上图的超声装置不同之处在于,光镊用的是多束相干光线交汇叠加。

就像问题中的图片一样,多束相干光线交汇。

相干光线指的是频率完全一致的激光束。通常来自于同一束激光,通过分光镜分开。

7、所以,通过多束激光是可以控制纳米颗粒的,强如原子、分子。

就是通过与超声悬浮或光镊一样的原理,将原子、分子固定下来。

8、温度的定义是微粒的无规则运动剧烈程度

注意,微粒的有规则运动,则是波动,也即机械波。声波是一种机械波。

而温度,是微粒的不规则运动。

9、当微粒被激光约束住、速度为0之后,代表温度为0。

但实际上只是几个分子或原子不动了,并不能代表周边真的是零度了。周边是真空。

10、实际上,周边的温度仍然会通过辐射等方式透过真空引发微粒继续运动。

实验的观测到的原子分子静止时间都是极短的。

11、实际上,分子和原子在激光的节点,并不会完全静止,回来回振荡。

振荡的频率可能高达G赫兹。为了消除这种振荡,必须使用N多束激光。各个方向约束。

即使如此,仍然会振荡。目前我不清楚这种振荡是如何消除的。

12、为什么必须用激光?

因为激光的波长很小。产生的节点很小。


最后,这种实验目前没有发现实用价值。

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当然可以,激光制冷可是拿过诺贝尔物理学奖的成果,在低温物理领域应用十分广泛,可以将温度冷却至非常接近绝对0度的极低温度。

从微观上看,温度其实就是原子的运动激烈程度。

而激光制冷,其实就是利用多普勒效应,让光子有选择性的去反向撞击运动中的原子,降低其动能,从而实现制冷的效果。

如下图所示,我们先在左右两侧安置激光装置,让它们朝中间发射相同频率的激光光子。

如果此时中间有一个原子,并且它具有向左运动的速度。那么在这颗原子的眼里,左侧的光子会在多普勒效应下发生蓝移,频率上升;而右侧的光子则反过来发生红移,频率下降。

若一开始的光子的频率恰好略微低于原子的吸收频率(类似于光电效应,只有超出某个临界频率的光子,才能被原子吸收)。那么蓝移带来的频率上升,就可能使得左侧的光子超出这一临界值,从而被原子吸收。而右侧的红移光子,因为频率进一步降低,则更加不可能被吸收了。

换句话说,光子和原子只会迎头撞,没办法追尾。而迎头撞显然会降低原子的速度,从而带来制冷的效果。

1985年,华人科学家朱棣文(Steven Chu)等人在PRL上发表了一篇论文[1],他们通过上述激光制冷的方法,成功的将温度降低到了0.00024 K,朱棣文也因此分享了1997年的诺贝尔物理学奖。

参考

  1. ^Chu, Steven, Leo Hollberg, John E. Bjorkholm, Alex Cable, and Arthur Ashkin. "Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure." Physical review letters 55, no. 1 (1985): 48. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.55.48
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正好李叔这里有一份激光制冷的讲解:

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