我们现在所使用的的空调、冰箱，其制造原理本质上还属于传统经典热力学的范畴。

经典热力学中有着两个基本原理：第一，能量守恒原理；第二熵增原理。

所谓能量守恒，也就是一个封闭系统中所有能量的总和是不变的。

所谓熵增原理，讲的是对一个封闭系统，其变化总是趋向最大熵值状态。

在这两条热力学原理的基础上，人类建立起了古典热力学的科学宫殿。在这所宫殿中，关于制冷技术，人类应用最广的一是理想气体的状态方程；二是理想气体的卡诺循环。

所谓卡诺循环就是采用压缩机技术利用了气体本身本身在压力或者相态发生变化时对外吸热放热的原理，来实现将热量由低温区域转移至高温区域的一种热力学过程。

目前在民用和商用领域的制冷技术，如空调、冰箱、冷库等等，99%都是利用卡诺循环制造的。

而传统上，人类制取超常规低温，最常用的手段还是将气体压缩冷却后，然后瞬间释放在液态气体气化的同时，得到低温环境。如常见的液态氮气能够达到-196℃，常常被利用于快速冷却、科学实验、超导材料、医学麻醉等领域。这种液氮制冷，本质上仍是一种卡诺循环。只不过将卡诺循环的四个过程肢解开了而已。

但是，这个温度距离绝对零度-273.15℃仍旧有着极大的差距。人类要如何获取更低的温度呢？

其实，目前人类所能制造的最低环境温度，已经相当接近绝对零度了，达到了仅仅比绝对零度高出百万分之一摄氏度的地步，也就是-273.1499999℃。要知道外太空的温度也有2.7K，也就是-270.55℃。

那么人类是如何制造出如此的低温的呢？人类采用的难道仍旧是卡诺循环的技术吗？

你可能很难想象，人类所制备的这个最低温度，采用的居然是激光技术！

你没听错，就是那种被认为携带有巨大能量热量，常常被用来切割金属、甚至制造武器的激光技术！

要理解激光制冷的原理，就要先从一个热力学的本质问题上着手：温度到底是什么？

或者换一句说法，我们常常所说的热与冷，其本质到底是什么？

我想学习过高中物理的人，大多能够回答这个问题。

1745年,俄国物理学家罗蒙诺索夫提出分子运动论。在 《关于热和冷的原因探讨》以及《试论空气的弹力》等论文中,罗蒙诺索夫创立了热的动力学说,指出热是物质本身内部的运动。并提出了气体分子运动论,认为空气微粒对容器器壁的撞击是空气产生 压力的结果。也就是说：人们感受到的热与冷，本质上是由环境中大量气体分子的运动快慢所决定的。空气中气体分子运动的速度越快，整体的环境温度就会越高。反之，环境温度则越低。

从本质上出发的话，我们如果要想获得低温，那就是要想想办法将环境中的微观粒子的运动速度给降下来！

那么如何来降低环境中微观粒子的运动速度呢？

德国物理学家晋林希姆在1929年首先提出的利用光使大的物体冷却的想法。

他的想法是当物质发射荧光时，它会变冷。当分子吸收光时，它的电子就受激。这个新的状态是不稳定的，分子必须失去多余的能量。要做到这一点，可通过使分子发生永久性化学变化（如拆开一个键），或者是将分子升温，使它和周围环境变热。多余的能量会以光的形式离开分子。

但是他的想法，在当时的技术条件下相当难以实现。

直到1985年，美国华裔物理学家朱棣文成功地用激光冷冻了原子，并因此荣获1997年的诺贝尔物理学奖。激光制冷技术第一次出现了重大进展！

那么激光为什么能够使得微观粒子的运动速度降低呢？难道激光的能量不会传递到原子身上吗？

这个问题就牵扯到了激光的制备原理。

激光的原理可以追溯到爱因斯坦1912年提出的光电效应理论：原子中的电子在吸收能量后，会从低能级跃迁到高能级，从高能级回落到低能级的时候，又会释放出光子。

爱因斯坦从这一理论出发，得出一个推论：在某种情况下会出现一个微弱光能够激发出强光的现象。

但是从爱因斯坦提出激光的理论，到人类第一台激光器诞生却整整用去了50年的时间。

1960年，美国物理学家西奥多.哈罗德利用高强闪光灯管激发红宝石，制造出了人类历史上第一台激光器。

传统意义上的激光具有高能量集中度、高精确度、高亮度的特点。

而在激光制冷技术上，人们将激光的高精确度这一点，发挥到了极致。

需要特别注意的是，这里所说的激光的高精确度，指的是激光频率的高精确度。

所谓激光的频率，也就是物质受到激发后，发释放出的光子的频率。了解过量子力学的都知道，光子具有波粒二象性，每个光子的能量与其频率有着直接关系。

光子的能量公式E=hv,其中h为普朗克常量，v即是光子的频率。

在目前人类所掌握的激光技术中心，已经可以制备出各种频率的激光，也就是说我们有能力制造出各种能量级的光子。

如果我们要利用光子让一个原子减速，那么就可以利用光子来跟原子进行撞击。

但撞击能让大量原子减速的前提是，只有运动方向相反的原子能够与光子撞击后产生减速效果。而与光子运动方向相同的原子则不会产生撞击效果，也就是不会加速。

在这里，就要再次利用到量子力学中原子电子跃迁的能量级原理，以及光子运动中多普勒效应。

原子的电子也要发生跃迁，需要一个最小的能量，只要光子的能量小于这个最小能量，原子电子就不会发生状态变化，原子本身的运动状态也不会被改变。

所以人们制备了这样一种自身能量略小于物质原子电子最小跃迁能量的光子，然后从前后左右上下六个方向去照射这些物质的原子。

这样，光子与这些物质原子间的相互作用就出现了三种结果：

1、光子与原子的运动方向相同，根据多普勒效应，光子在撞击上原子后，原子接收到的光子频率是要更低的，所以接收到的光子能量也更低，原子的能级不会发生改变。

2、原子的运动方向与光子运动方向相反，根据多普勒效应，其接受到的光子频率更高，同时如果这个原子的运动速度也比较快，这样导致光子的能量达到原子能级发生跃迁的水平，这样，这个原子就会吸收这个光子。

原子吸收光子后，由于高能级下的原子电子状态不稳定，所以就会向低能级跃迁并释放出一个光子。此时就出现了两种可能，其中一种就是释放出的光子方向与原子本身速度相同，那么，原子本身就会受到反作用力，出现减速效果。

3、另外一种情况则是，释放出的光子，与原子本身运动方向相反，那么原子就会再次被加速。

这个被加速的原子，就会再次与外界激光所发射进来的光子发生撞击，再次重复2种或者第3种情况。

通过这个不断重复的过程，我们最终就能够将空间内所有原子的运动速度都降低下来。而我们能够达到多低的温度，就取决于我们所制造的激光光子的能量与原子能级差能量的差值。

这个差值越小，在多普勒效应中，要吸收这个光子时，与光子运动方向相反的原子所需要的自身速度就越小。

最终，这个空间内被这些光子所照射的原子会都处于一个无论向任何方向运动都无法再吸收光子的状态。因为它们的速度已经足够低，低到了即使与光子运动方向相反时，迎头相撞，多普勒效应所导致的光子频率上升后光子能量的增加，也无法使得这个光子能量达到令原子产生能级跃迁的地步。

此时，空间温度也随着原子运动速度的降低，最终达到了一个极低的状态。

在常温(20℃)下，原子的运动速度约为1600公里每小时，而在-273℃的时候，原子的运动速率只有1米每小时。而在目前人类所能制造的最低温度环境里，原子的运动速度，已经几乎无法测量了，某种程度上，甚至可以认为原子的运动已经几乎静止。

毕竟，所谓的绝对零度，就是原子运动应完全停止的状态。

激光制冷除了利用了激光本身的高精确度外，还利用了光子的波动性质，以及波场的多普勒效应，所以激光制冷技术有些时候也被称作为多普勒冷却技术。

激光制冷技术的未来展望

激光制冷从提出至今不过几十年的发展，但其所在科研领域做出的贡献却是无可比拟的。它不仅涉及各个领域，而却通过超低温的实现，验证不少理论的完备性，并且通过超低温试验，使某些比较离奇的设想成为可能。然而，其也有很多不足，比如说冷却效率不高、冷却范围小等，这是值得我们去完善的。

传统的利用卡诺循环制冷，存在的问题在于受环境温度影响较大，而且卡诺循环中采用的制冷剂本身也有一定的环保问题。

在不远的未来，随着激光制冷技术的发展，相信这一技术会逐渐的走出科研实验室，慢慢的融入到我们的日常生活。

说不定那天，我们传统的家用空调与冰箱，就会变成一台激光制冷机呢！