设想你想控制一个物体而又不去接触这个物体，当你用手指不断接近这个物体，事实上，你毫无感觉；只有当你的手指接触到了这个物体，你才有所感觉。20年前，人们很难去控制粒子。除非很接近它们或者是接触到它们。你是否想象出一种神奇的力量使你可以不接触粒子，但能抓住它们，把它们固定在空中？如果可能，这样做有什么实用价值，这就是今天我要讲的内容。

激光为何能冷却原子

大家在读书时都知道玻璃棍的实验，如果摩擦它，它就会带电，结果它就能吸起尘粒，如果我们继续去摩擦它，它可以使一张纸向玻璃棍靠拢。人们使某一物体带电，产生电场，成为电极，它使尘粒或纸片上的正负电荷发生移动，从而被它吸引。若电极是正的，则它使物体（尘粒等）的负电荷移近它，而正电荷远离它，结果产生一个力，使物体向它靠拔；若电极是负的，则它使物体上的正电荷靠近它，而负电荷远离它，产生的力仍然使物体向它靠拢。因此粒子是向电场强度高的地方靠拢，这就启发我们是否可以用某种神奇力量，通过重组电场来实现控制粒子而不去接触它。但是在基本粒子中，重组静电荷是不可能的，然而，如果你用交变电场，那么你就可以做到这一点。例如有一束激光（激光是一种光，光是电磁辐射，电磁辐射是迅速振荡的电场），在聚焦部分你可以得到非常强的电场，只要物体上的电荷能与驱动电场的变化同步，上述静电场的原理也同样可以用到俘获基本粒子上，这就是人们不接触但又能控制粒子的基本想法。问题是，我们在粒子上所能施加的力，尤其是我们施加在原子上的力非常弱，所以当人们在60年代开始讨论这种想法时，有些科学家在理论上证实可以通过这种方法控制原子，但是最后证明这是不实用的。不能做这种实验的原因在于原子在室温条件下在空气中的运行是无序并且是超音速的。试图用电场去捕获高速运行的原子是不可能的。所以首先人们必须要使原子的运动速度减慢，只有在速度很慢的条件下，我们才可以捕获原子，这就是激光冷却的基本思路。冷却是指温度，温度是对随机运动快慢的一种衡量。当温度高时，原子运动的速度非常快，当温度很低时，它们运动的速度慢，这时，非常弱小的力量就可以捕获它们。现在使我们感到惊奇的是我们可以用激光冷却原子，这听起来也许比较奇怪，因为当你听到激光，你会联想到它有许许多多的能量，它是用来加温的，或用于手术。你很难想象具有高能量的激光可以用来冷却。但事实上，当你冷却物质，可以通过使其速度减慢而得到冷却。换言之，当你冷却原子时就是去减慢它的运动速度。

原子可以吸收光子，当一束激光迎着原子的运动方向照射到原子上去时，原子与每一个光子碰撞都减小一点速度，这样当原子与许许多多光子碰撞后，其速度就慢下来。这一实验在1985年取得了实质性突破和成功。我们只用了很短的时间便将原子冷却了7~8个量级，当温度非常低时，极微弱的力量就可以捕获原子。事实上，世界各地的科学研究机构在原子冷却实验上取得了成功并且发展了不同的方法，很多方法优于这种最早的方法，最早的方法只是一个开始，让人们开始思考，开始实验。

可以使原子钟更为精确

当我们可以有能力将原子冷却、捕获它并让它按照人们的意愿运动时，我们可以用它派什么更好的用场呢？当我老板的老板问我这个问题时，我回答说，我不清楚，这的确很妙。事实上，在我做实验时我没有想到取得成功后会产生巨大的用途。

首先，让我来谈谈原子钟。在此之前让我们先了解进行非常精确测量时所需的测量时间。这里的测量时间不是指你去大学校长办公室申请经费或培养研究生所需花费的时间，这一时间是指一个特定的量子力学量，是被测物体与测量物体的相对作用时间。比如有二个能级，原子处于其中一个能级，你将一束光打到原子上，这时间是指将原子从其中一个能级激发到另一个能级所需的时间。诺尔曼 · 兰塞在1950年发明了一种方法，它导致了第一台原子钟的问世。

原子可以被视为是一个钟，你可以用其频率作为基础来校对世界上所有的钟表。诺尔曼 · 兰塞为此在1989年获得了诺贝尔奖。现在来看看我们的情况，我们已将原子冷却，它运动得很慢，这样我们可以将测量时间再增大100~500倍。如此，可以对原子所处的能级进行极为精确的测量，这样就可以使本身很精确的原子钟更为精确……假设当你出生时这一时钟开始启动，现在你已年过80了，你想知道这时钟的误差到底有多少？这时钟的误差小于五百万分之一秒。而若当宇宙诞生时，启动这个时钟（我们知道宇宙诞生至今大约已有50亿年了），误差只有四、五分钟左右。这种钟非常好，如果将其与你手腕上的手表相比，它有上百亿倍好。但是我们日常生活中不需要这种钟表，但为什么这是一条好消息呢？因为它确有实用价值，它可以运用于世界上最为精确的物理实验、频率测量。它是非常好的参照物，你可以用原子钟在世界各地进行精确的测量，因为世界上任何的原子钟的时间都是一样的。

原子钟还有其他用途，比如用于卫星，那些用于全球定位的卫星，在每个卫星上有几个原子钟。美国发射了大约16至20颗，俄罗斯开始启动另一套系统。这些原子钟帮助你找到世界任何地方的位置，精确度在一米以内。只要有一台小的接受器，你就可以收到原子钟的信号，确定你的位置。这非常重要，人们就此不会再迷路了。此外，它还可以用于非常重要的科学研究用途，比如，地球的气候在变暖，人们怀疑可能是二氧化碳造成了全球变暖，因此我们需要长期对地球的温度进行精确的测量，其中一种测量方法是观测两极地区，我们必须测量南北两极的水平面是否发生变化。运用全球定位卫星可以观测到海洋的这些变化，其精度可以达到厘米。但是，由于地壳每年以几毫米或几厘米的速度发生运动，所以对海洋的测量不能依据陆地，因此使用原子钟进行测量所取得的精确性就变得非常重要了。这种精确性的用途很多，最重要和直观的就是那些高速计算机，运用光纤对数据库进行的传输，你需要使用原子钟，因为使用光纤传输数据的速度非常之快，你必须使位于上海、旧金山和伦敦的电脑同步，人们就是使用原子钟进行同步运行的。

新的实验还在进行

当然，控制原子还有其他许多用途，如你可以用光来分裂原子。在1991年，我们做了以下实验，用光照射某个原子，当原子吸收了一个光子，原子将会分裂，但是你可以将分裂的两部分重新结合在一起，这在量子力学技术上可以做到或已经做到。如果能做到这一步，就可以对许多事物进行非常精确的测量。我们已经做到的是对引力和地球自转进行目前为止任何意义上最为精确的测量。对地球引力的精确测量可以帮助人们更好更有效地寻找到石油以及了解地壳的发展和演变规律。

1989年，我来到斯坦福大学开始着手对生物分子研究。此时，我们已经可以用光在室温条件下控制分子，以研究分子在室温下的形态变化。我们所想控制的分子是DNA，因为DNA有很好的特性，它是一种非常长的分子。但由于DNA是一个不带有电子的分子，所以不能直接用光来控制它，必须将原来的技术加以改进，如可以将聚苯乙烯小球粘贴在DNA上。为此，我花了一年时间学习生物化学，学习掌握将这些小球粘贴在DNA上的化学技术。一旦小球被粘贴好之后，你可以将这些分子放入水中，使用两束激光来控制这些小球。由于DNA过小，无法通过光学显微镜观察到这些分子，所以必须将染色的分子放在DNA上。这样，如果光照在DNA上，这些染色分子会辐射出光子，所以你仍可看到微弱的光，像霓虹灯一样，这样就可以捕获一个DNA分f并分离出来。非常有趣是我试图用光镊分离DNA，但是我没有取得成功，因为DNA的键合力非常强大。这时我意识到DNA是一种典型的聚合物，光镊的力量还不足以将DNA展开。目前我们已经可以控制DNA井用光镊打开单一蛋白质，蛋白质也是一种聚合物，这方面的实验仍然在进行。

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* 本文系根据1997年诺贝尔物理奖获得者朱棣文教授于8月23日在上海复旦大学的演讲录音整理。翻译整理者汪春，并由邹亚明教授审校。