钠原子比理论预想的更冷，温度计可靠吗

温度计报出一个不好解释的数

1988 年，Lett、Phillips 和同事把钠原子从六束激光交汇的区域里放出来。原子向外散得很慢，比简单冷却理论预想得还慢。论文报告的最低温度为 43 微开尔文，不确定度为 20 微开尔文；理论给出的下限却约为 240 微开尔文。

究竟是温度计量错了，还是理论少算了什么？他们换着办法追踪释放后的运动：看原子何时飞到探测区，向上抛、向侧面放，或先让它们飞散一会儿，再尝试捕回来。四种弹道测温方法相互比较，低温结果经受住了检验。

光携带动量。原子吸收一个光子，就沿着光子原来的方向受到一小下推动。若两束光迎面对射，静止原子又同样容易吸收两边的光，平均的推力便互相抵消。

把光频率调到原子容易吸收的频率稍低的一侧。原子向一边运动时，会看到迎面光的频率升高，变得更容易吸收；来自身后的光则更难吸收。迎面的小推力更多，原子就被拖慢了。这叫多普勒冷却。沿三个方向各放一对光束，就能拖慢三维的杂乱运动。

冷不冷看的是原子之间有多大的速度差。一整团一起向右漂移，未必很热；每个原子都在朝不同方向快速乱窜，才是温度升高的图景。追踪云团的中心和追踪它怎样膨胀，各有用处。

原子自发发光时，光子会朝随机方向飞，原子受到反方向的踢动。一次次随机反冲添进热量，平均的迎面推力又拿走热量。只把原子看成一个低能级、一个高能级，在弱光下计算这两种作用，就得到一个最低温度。

对实验所用的钠跃迁，这个多普勒最低值约为 240 微开尔文。它来自一套明确的假设，达到这个温度时原子仍在运动。实验测出更缓慢的膨胀，追问的便是：真实钠原子身上，还有什么过程没被这些假设包括进去？

单拍一张又小又亮的云团，读不出温度。释放时的大小、原子原先朝哪里飞、重力和探测区的位置，都会影响最后看到的信号。两个原子速度相同，起点离探测光远近不同，也会在不同时刻到达。云团此刻小，内部的速度差还可能很大。

四种方法从不同几何追踪原子，同样得到意外低温，就较难把结果归咎于某一种安排看错了。温度还对微弱磁场和冷却光的偏振很敏感。这些线索都指向原子内部状态，以及光怎样在这些状态之间搬动原子。

钠的基态还能分成几个磁子能级，可以理解为内部角动量取向不同的状态。偏振光让原子吸收、发射，又回到不同的子能级。原子经过偏振不断变化的地方时，这些状态里各有多少原子，需要一点时间才能跟上变化。

这种内部响应给冷却多开了几条路。西西弗斯机制就是一例：原子先沿着某个状态的能量山坡往上爬，速度减小，接近山顶又换态落到另一条路的谷底，接着重新爬。那群冷得出乎预料的原子，暴露了把原子简化成两个能级时漏掉的细节。

光学黏胶提供阻尼，却没有指向固定中心的回复力。磁光阱利用磁场梯度和偏振光补上这一点，把原子往中心拉。冷却和储存逐渐成了相互配合、各有职责的实验工具。1997 年诺贝尔物理学奖表彰 Chu、Cohen-Tannoudji 和 Phillips 发展了用激光冷却和俘获原子的方法。