多普勒效應(yīng)的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值

畢志毅

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科.作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律，因此成為其他自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ).物理學(xué)也是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科，其理論結(jié)構(gòu)運(yùn)用了數(shù)學(xué)知識(shí)，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為檢驗(yàn)理論正確性的標(biāo)準(zhǔn).物理學(xué)又是一種智能科學(xué)，著名物理學(xué)家玻恩曾說過：“與其說是因?yàn)槲野l(fā)表的工作里包含了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因?yàn)槟抢锇艘粋€(gè)關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ)”.物理學(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的學(xué)科，不僅在于它深刻揭示了物質(zhì)世界的客觀規(guī)律，還因?yàn)樗趯W(xué)科發(fā)展的過程中形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的科學(xué)思想方法體系，物理學(xué)當(dāng)之無愧地被視為人類智能的結(jié)晶、文明的瑰寶.在人類社會(huì)發(fā)展的漫長(zhǎng)進(jìn)程中，物理學(xué)所取得的成果極大地豐富了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，有力地促進(jìn)了人類文明的進(jìn)步,并將繼續(xù)在認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界客觀規(guī)律、造福人類社會(huì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵性的作用.前輩科學(xué)家的探索求知精神、創(chuàng)新思維方法、豐碩研究成果及科學(xué)價(jià)值觀念，將激勵(lì)我們?cè)诳茖W(xué)求真的道路上不斷努力.本文從多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)談起，主要敘述其應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義，同時(shí)也簡(jiǎn)單介紹了華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究方向.

1 多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

多普勒效應(yīng)是關(guān)于波源和觀察者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到波的頻率與波源發(fā)出的頻率不相同的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家多普勒(Christian Johann Doppler)于1842年偶然發(fā)現(xiàn)的.當(dāng)時(shí)他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁飛馳而過，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)火車由遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲調(diào)變尖，而當(dāng)火車由近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲調(diào)變低.他對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲源相對(duì)于觀測(cè)者存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽到的聲音會(huì)發(fā)生變化：當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉；當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)變高.當(dāng)觀察者相對(duì)波源移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論.音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)，后人把該物理效應(yīng)稱為“多普勒效應(yīng)”， 由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度成正比.

多普勒當(dāng)時(shí)的研究范圍包括了光學(xué)、電磁學(xué)和天文學(xué)，他設(shè)計(jì)和改良了很多實(shí)驗(yàn)儀器，為后來的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)提供了有價(jià)值的線索.而在多普勒效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后的100多年間，物理學(xué)的研究成果已成為現(xiàn)代技術(shù)革命的先導(dǎo)，后人采用該物理效應(yīng)在許多重要科學(xué)與技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得創(chuàng)新成果，并造福于人類社會(huì).

2 多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原理

由波源發(fā)出的波在介質(zhì)中傳輸時(shí)，每完成1次全振動(dòng)，向外發(fā)出1個(gè)波長(zhǎng)的波.頻率為單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù).而觀察者聽到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接收到的頻率，即單位時(shí)間接收到的完全波的個(gè)數(shù)決定的.當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率會(huì)改變． 在單位時(shí)間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率增大． 同理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源，觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波個(gè)數(shù)減少，即接收到的頻率減小.觀察者觀察到的頻率f′和發(fā)射源原始發(fā)射頻率f的關(guān)系為

其中,v為波在該介質(zhì)中的行進(jìn)速度;v0為觀察者的運(yùn)動(dòng)速度，若接近發(fā)射源，則式(1)分子運(yùn)算符號(hào)為“+”號(hào), 反之則為“-”號(hào)；vs為發(fā)射源移動(dòng)速度，若接近觀察者，則式(1)分母運(yùn)算符號(hào)為“-”號(hào)，反之則為“+”號(hào).

3 多普勒效應(yīng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 多普勒效應(yīng)在雷達(dá)中的應(yīng)用

多普勒效應(yīng)的早期應(yīng)用主要是基于波源與觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量.雷達(dá)的發(fā)明始于20世紀(jì)前期，它根據(jù)目標(biāo)物體對(duì)電磁波的反射來測(cè)定目標(biāo)的空間位置，雷達(dá)技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)中獲得發(fā)展，投入作戰(zhàn)使用并發(fā)揮了重要作用.由于雷達(dá)探測(cè)是基于波的傳播，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體具有多普勒效應(yīng)，雷達(dá)可根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度.50年代應(yīng)用多普勒頻移探測(cè)技術(shù)后，現(xiàn)代雷達(dá)探測(cè)可以通過回波時(shí)間及多普勒頻移獲得目標(biāo)的空間位置及運(yùn)動(dòng)速度等信息.在道路交通管理系統(tǒng)中，測(cè)速雷達(dá)向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波或激光，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化就能知道車輛的速度.由于多普勒頻移與速度是線性關(guān)系，因此基于多普勒效應(yīng)的測(cè)量技術(shù)具有很高的測(cè)量精度并獲得廣泛的應(yīng)用.在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報(bào)、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等)及科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)領(lǐng)域.星載和機(jī)載合成孔徑雷達(dá)已經(jīng)成為當(dāng)今遙感中十分重要的傳感器.以地面為目標(biāo)的雷達(dá)可以探測(cè)地面的精確形狀.其空間分辨率可達(dá)幾m到幾十m，且與距離無關(guān).雷達(dá)在氣象預(yù)報(bào)、海冰監(jiān)測(cè)、森林資源清查、地質(zhì)調(diào)查等方面也展顯出了很好的應(yīng)用潛力.目前正在發(fā)展中的自動(dòng)駕駛汽車綜合依靠人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，其中多普勒雷達(dá)系統(tǒng)通過持續(xù)實(shí)時(shí)感測(cè)提供周圍道路交通狀況及車輛間距離等信息，實(shí)現(xiàn)在無人主動(dòng)操作條件下自動(dòng)安全地操控車輛安全行駛.

3．2 多普勒效應(yīng)在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲波檢測(cè)屬于無損檢測(cè)，是在不損壞被檢測(cè)對(duì)象前提下對(duì)被測(cè)對(duì)象的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的一種檢測(cè)手段，可為工業(yè)質(zhì)檢及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷提供重要的信息.早期的醫(yī)學(xué)超聲波檢測(cè)根據(jù)人體組織對(duì)超聲波的反射與吸收得到人體組織結(jié)構(gòu)二維圖像，實(shí)現(xiàn)了非創(chuàng)傷無痛檢測(cè).由于人體血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的液體，超聲波振源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的血液間就會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，使回聲的頻率發(fā)生改變(即頻移)，將多普勒效應(yīng)引入超聲波醫(yī)學(xué)診斷后，多普勒超聲檢測(cè)既可以提供二維超聲結(jié)構(gòu)圖像，同時(shí)又提供了血流動(dòng)力學(xué)的信息，對(duì)諸如心血管、肝、腦等人體重要組織器官的功能與疾病診斷提供了重要的信息.

3．3 多普勒效應(yīng)在天體物理學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)代天文學(xué)家對(duì)天體的觀察研究已不再局限于傳統(tǒng)的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，而是發(fā)展到憑借射電望遠(yuǎn)鏡、星載望遠(yuǎn)鏡等來觀測(cè)遙遠(yuǎn)星體發(fā)射的光譜及其頻率變化，依此計(jì)算星體與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，研究宇宙的起源與發(fā)展.美國(guó)天文學(xué)家哈勃 (Edwin Powell Hubble)所發(fā)現(xiàn)的天體紅移現(xiàn)象就是基于多普勒效應(yīng).哈勃發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，基于多普勒效應(yīng)及光譜的紅移現(xiàn)象，表明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系，若天體離開銀河系的速度越快則紅移越大，他由此得出宇宙正在膨脹的結(jié)論.現(xiàn)在通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡證明了宇宙不僅在膨脹而且在加速膨脹.最近幾年，發(fā)現(xiàn)從宇宙膨脹的加速度可以推算出已知物質(zhì)的能量與暗能量的比值，暗能量可能在宇宙中占據(jù)了重要的位置，愛因斯坦是最早提出此觀念的.因?yàn)榘的芰浚钪嬷饪赡苡泻芏嗟挠钪?了解暗物質(zhì)和暗能量是21世紀(jì)科學(xué)史的一大挑戰(zhàn).

3．4 多普勒效應(yīng)在光譜學(xué)中的“應(yīng)用”

物理學(xué)的許多研究成果具有重要的科學(xué)意義，極大地提高了人類探索自然規(guī)律的能力.在多普勒效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后的100多年間，人們認(rèn)識(shí)到這一理論不僅適用于聲學(xué)和光學(xué)，在電磁波等研究領(lǐng)域也有廣泛的用途.當(dāng)今，物理學(xué)已從經(jīng)典發(fā)展到了量子范疇，與物理學(xué)相關(guān)的學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也取得了前所未有的成果，其中不少都基于多普勒效應(yīng)基本原理，有趣的是，根據(jù)研究對(duì)象與目的不同，其中有些是要利用多普勒效應(yīng)(如天體物理學(xué))，而另一些是需要克服多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響(如光譜學(xué)).

光譜學(xué)是通過光與物質(zhì)相互作用過程研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與特性的學(xué)科，看似復(fù)雜無序的光譜線，其實(shí)具有內(nèi)在規(guī)律與特征，對(duì)應(yīng)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)與躍遷規(guī)律.對(duì)物理世界的永無止境的探索及應(yīng)用需求是推動(dòng)光譜學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?自20世紀(jì)60年代激光發(fā)明以來，由于激光具有的高相干性等特點(diǎn)，由新光源而引發(fā)的光譜學(xué)新原理、新技術(shù)并導(dǎo)致一系列新發(fā)現(xiàn)，在光譜學(xué)研究產(chǎn)生了深刻的革命.光譜學(xué)家一直在探索實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度、高精度激光光譜的方法，這對(duì)于研究光與物質(zhì)相互作用機(jī)理和提高探索自然規(guī)律的能力具有重要意義.提高光譜分辨率可以將原先在譜線寬度內(nèi)淹沒的光譜細(xì)節(jié)揭示出來.回顧歷史，通過提高光譜分辨率，科學(xué)家觀測(cè)到由電子自旋導(dǎo)致的原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，由核自旋導(dǎo)致的原子光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)，由外磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的塞曼能級(jí)分裂及由外電場(chǎng)作用產(chǎn)生的斯塔克能級(jí)分裂，由量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的拉姆位移，由此揭示了物質(zhì)內(nèi)部新的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象.物理學(xué)研究中許多進(jìn)展與新的成果都得益于前所未有的測(cè)量精度，這在原子光譜研究中尤其如此.

在高光譜分辨率的研究中，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到由于原子/分子存在的熱運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)它們與光(視作多普勒效應(yīng)中的波源)相互作用時(shí)，不同運(yùn)動(dòng)速度的原子/分子(視作多普勒效應(yīng)中的觀察者)感受到光的頻率/波長(zhǎng)不同，使超出能級(jí)躍遷頻率范圍的原子/分子也會(huì)由于多普勒頻移滿足光譜吸收與躍遷條件而產(chǎn)生光譜信號(hào)，導(dǎo)致光譜線變寬，分辨率降低.即使對(duì)于具有高度相干性的激光光源而言，多普勒效應(yīng)依然是限制高分辨率光譜的主要因素，尋求從物理原理及技術(shù)上克服由此產(chǎn)生的光譜線多普勒加寬并實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜檢測(cè)，是當(dāng)時(shí)光譜研究者丞待解決的問題與探索的方向.

美國(guó)激光光譜學(xué)家阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)于20世紀(jì)60年代在斯坦福大學(xué)建立了激光光譜學(xué)研究中心，主要致力于高分辨激光光譜的研究，并于70年代為高分辨率激光光譜方法做出了重大貢獻(xiàn)，1976年，他創(chuàng)立了高分辨激光光譜學(xué)學(xué)科.為此，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)授予他該學(xué)會(huì)的最高榮譽(yù)——弗雷達(dá)里克·艾伍茲勛章，以表彰他在激光研究方面的杰出貢獻(xiàn).他針對(duì)原子光譜中由于原子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒增寬現(xiàn)象，利用激光具有極高的單色性等特點(diǎn)，提出了多種創(chuàng)新的、基于不同機(jī)理的光譜學(xué)檢測(cè)方法，例如飽和吸收光譜、雙光子光譜、偏振光譜等，使原子光譜中許多原先被掩蓋的細(xì)節(jié)得以展現(xiàn)，有效地克服了多普勒增寬.

1978年，肖洛領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用他自己發(fā)明的偏振光譜法測(cè)量氫光譜，得到了里德堡常量.這種方法解決了光譜測(cè)量中因原子熱運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒加寬問題，有效地提高了儀器的分辨率.1981年，肖洛等人因?qū)Ω叻直媛始す夤庾V學(xué)做出的重大貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1].當(dāng)有人問他取得一個(gè)又一個(gè)巨大成就的“奧秘”時(shí)，他笑了笑說：“決不重復(fù)自己做過的工作，決不重復(fù)別人做過的工作.”

圖1 飽和吸收光譜原理圖

飽和吸收光譜方法是一系列激光光譜方法中最早提出的方法之一，其巧妙之處是使2束激光(較強(qiáng)的飽和光束和較弱的探測(cè)光束)同時(shí)選擇性地只與縱向速度為零的原子發(fā)生作用，有效地解決了多普勒效應(yīng)引起的譜線增寬問題[2].飽和吸收光譜法的原理見圖1.激光光束經(jīng)半透射鏡片分為較強(qiáng)的飽和光束和較弱的探測(cè)光束，以相反的方向通過氣體樣品池.用斬波器調(diào)制飽和光束，當(dāng)飽和光束和原子作用時(shí)，由于光束非常強(qiáng)，使原子的吸收能力飽和，即把能夠吸收光子的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，從而不能更多地吸收其他光子(即在這一位置產(chǎn)生“燒孔”而形成凹陷)，這時(shí)另一路光束(探測(cè)光束)通過氣體樣品探測(cè)到飽和光燒孔形成的凹陷并到達(dá)探測(cè)器.這里有一個(gè)條件：2束光必須是和同一群原子發(fā)生相互作用時(shí)才會(huì)出現(xiàn)以上情況，而只有那些軸向速度分量為零的原子才能有貢獻(xiàn)，因?yàn)檫@些原子對(duì)于相向而行的2束光均沒有多普勒頻移，即這些原子能吸收的光子的頻率就是激光本身的頻率，而有一定速度的原子由于對(duì)于相向而行的2束光的多普勒頻移不同，因此無法同時(shí)和相向而行的2束光作用，導(dǎo)致探測(cè)光無法探測(cè)到飽和光燒孔形成的凹陷.由于飽和光束是經(jīng)過調(diào)制的，所以在調(diào)諧激光波長(zhǎng)時(shí)，通過鎖定放大器接收到相應(yīng)的光譜.這樣飽和吸收光譜就把對(duì)光束無多普勒頻移的原子挑選出來，其光譜無多普勒增寬，圖2是用飽和吸收光譜法測(cè)出的氫光譜線，其分辨率較多普勒增寬光譜的分辨率提高3個(gè)數(shù)量級(jí).

圖2 用飽和吸收光譜法測(cè)出的氫譜線Hα

另一種無多普勒光譜學(xué)方法是雙光子吸收光譜[2]，它基于原子從來自2個(gè)反向傳輸?shù)墓馐懈魑?個(gè)頻率相同的光子并實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷，由于原子與2個(gè)等頻反向光子作用產(chǎn)生的多普勒頻移相加為零，即任何速度的粒子均將在吸收等頻反向雙光子時(shí)對(duì)無多普勒增寬譜線作貢獻(xiàn)，有效地消除了多普勒效應(yīng)引起的譜線增寬.這里體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的補(bǔ)償法，在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中類似的有不等臂天平的物體與砝碼的交換和電橋中比例臂的交換.

3．5 多普勒效應(yīng)在激光冷卻與囚禁中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，多普勒效應(yīng)體現(xiàn)的科學(xué)價(jià)值并沒有消失，在21世紀(jì)的今天仍具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值.20世紀(jì)末發(fā)展起來的激光冷卻與囚禁為研究原子分子相互作用機(jī)理及開展精密光譜的應(yīng)用研究提供了更好的方法.根據(jù)物理學(xué)基本原理，原子/分子的熱運(yùn)動(dòng)速度與其溫度相對(duì)應(yīng)，常溫下原子的熱運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)4 000 km/h，在-270 ℃時(shí)約為400 km/h，即使在如此低溫條件下，原子間熱運(yùn)動(dòng)引起的碰撞作用相當(dāng)于縮短了激發(fā)態(tài)的平均壽命，從而使能級(jí)進(jìn)一步加寬，這對(duì)赫茲量級(jí)超窄光譜線的增寬會(huì)產(chǎn)生顯著作用.

早在20世紀(jì)初，人們就注意到光對(duì)原子有輻射壓力(又叫散射力)作用，只是在激光器發(fā)明之后，才具備了研究用激光操控原子的必要條件，發(fā)展了利用光壓改變?cè)铀俣炔?shí)現(xiàn)激光冷卻的技術(shù).1975年，斯坦福大學(xué)漢斯(T.W.H?nsch)和肖洛等科學(xué)家對(duì)中性原子和束縛在電磁阱中的離子提出了激光冷卻的方案[3]，利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)以獲得超低溫的原子.原子束激光減速是利用輻射場(chǎng)散射力操控原子運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單實(shí)例，其原理是利用負(fù)失諧的激光束從與原子束行進(jìn)反向的方向照射原子束，光對(duì)原子的共振散射力使原子不斷降低速度，如果在x,y,z方向分別加由2束光組成的駐波光場(chǎng)，則在6束激光交匯處的原子會(huì)受到三維阻尼力的作用，在3個(gè)方向上得到減速，使其動(dòng)能降低，從而實(shí)現(xiàn)冷卻.然而看似簡(jiǎn)單的方法在具體實(shí)現(xiàn)上卻還需要解決許多問題，人們真正有效觀察原子束的激光冷卻是在提出激光冷卻概念以后十幾年.

研究激光冷卻涉及到多個(gè)物理學(xué)原理[4]，概括起來主要有光的多普勒效應(yīng)、原子能級(jí)量子化、光具有動(dòng)量等，而其中多普勒效應(yīng)的作用又成為基本的研究?jī)?nèi)容，由于運(yùn)動(dòng)中的原子感受的激光頻率不同，且多普勒頻移隨速度而變化，為了滿足光對(duì)原子的共振散射力使原子不斷降低速度，需要在原子減速過程中連續(xù)補(bǔ)償多普勒頻移以維持有效減速.科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子在頻率略低于原子躍遷能級(jí)差且相向傳播的1對(duì)激光束中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的光子(因?yàn)檫@種光子對(duì)原子來講其頻率要比光子的實(shí)際頻率稍高，正好匹配原子躍遷能級(jí)差)，而對(duì)與其相同方向行進(jìn)的光子吸收概率較小；吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射，根據(jù)動(dòng)量守恒，原子凈吸收與它反向運(yùn)動(dòng)的光子，于是總動(dòng)量下降了，也就是速度下降了.平均地看來，2束激光的凈作用是產(chǎn)生與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動(dòng)減緩(即冷卻下來).設(shè)想，如果當(dāng)原子在頻率略高于原子躍遷能級(jí)差且相向傳播的1對(duì)激光束中運(yùn)動(dòng)時(shí)，則原子將會(huì)凈吸收與它同向運(yùn)動(dòng)的光子，這樣原子不僅不能冷卻，反而被“加熱”，看起來很小的差異卻導(dǎo)致了結(jié)果的反轉(zhuǎn)，前者是有利于我們想要達(dá)到的效果，而后者卻是不利的結(jié)果.這對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來說是至關(guān)重要的.

1985年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的菲利浦斯(Willam D.Phillips)和斯坦福大學(xué)的朱棣文(Steven Chu)首先實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，用6束相互垂直的激光束照射鈉蒸汽室，形成磁光阱，將原子囚禁在空間的小區(qū)域中，在激光交匯處產(chǎn)生了取名為“光學(xué)秥團(tuán)”的原子狀態(tài)，這是一種捕獲原子使之集聚的方法.更有效的方法是利用“原子阱”，這是利用電磁場(chǎng)形成的“勢(shì)能坑”，原子可以被收集在坑內(nèi)存起來.一種原子阱叫“磁阱”，它利用2個(gè)平行的電流方向相反的線圈構(gòu)成(如圖3所示).這種阱中心的磁場(chǎng)為零，向四周磁場(chǎng)不斷增強(qiáng).陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時(shí)勢(shì)能最低.偏離中心時(shí)就會(huì)受到不均勻磁場(chǎng)的作用力而返回.1997年，物理學(xué)家朱棣文等人的研究工作取得了突破性進(jìn)展，成功地得到了極低溫度(240 μK)的鈉原子氣體，發(fā)表了激光冷卻與囚禁的研究成果，并因此獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[5].

圖3 磁光阱原理

之后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有“速度選擇相干布居囚禁”和“拉曼冷卻”，前者由法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院的柯亨-達(dá)諾基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱棣文提出，他們利用這種技術(shù)分別獲得了低于光子反沖極限的極低溫度.此后，人們還發(fā)展了磁場(chǎng)和激光相結(jié)合的一系列冷卻技術(shù)，其中包括偏振梯度冷卻、磁感應(yīng)冷卻等.早期研究激光冷卻與囚禁技術(shù)的主要目的是為了精確測(cè)量各種原子參量，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)(原子鐘).在此成果基礎(chǔ)上，之后E.A.Cornell, W.Ketterle, C.E.Wieman 3位科學(xué)家以基本相同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了最低為40 μK的溫度，最使物理學(xué)家感興趣的是它使人們觀察到了“真正的”玻色-愛因斯坦凝聚，這種凝聚是玻色和愛因斯坦分別于 1924年預(yù)言的，但長(zhǎng)期未被觀察到.這是一種宏觀量子現(xiàn)象，指的是宏觀數(shù)目的粒子(玻色子)處于同一量子基態(tài)，它實(shí)現(xiàn)的條件是粒子的德布羅意波長(zhǎng)大于粒子的間距.在被激光冷卻的極低溫度下，原子的動(dòng)量很小，因而德布羅意波長(zhǎng)較大.同時(shí)，在原子阱內(nèi)又可捕獲足夠多的原子，它們的相互作用很弱而間距較小，因而可能達(dá)到凝聚的條件.1995 年實(shí)驗(yàn)觀察到了2×103個(gè)銣原子在170 nK溫度下和5×105個(gè)鈉原子在 2 μK 溫度下的玻色-愛因斯坦凝聚，該項(xiàng)科學(xué)研究成果被評(píng)為是20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成果之一，3人因此獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[6].

激光冷卻和原子捕陷的研究對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究具有很重要的意義，如：原子光學(xué)、原子刻蝕、光學(xué)晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等.激光冷卻在高新技術(shù)上有許多重要應(yīng)用，例如，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)幾乎已消除，所以能得到譜線寬度近乎極限的光譜線，從而大大提高了光譜分析的精度，也可以大大提高原子光鐘的精度，并用于研究某些物理常量是否隨時(shí)間緩慢變化；驗(yàn)證廣義相對(duì)論和量子電動(dòng)力學(xué)；開展重大物理問題的科學(xué)研究；發(fā)展新一代時(shí)間/頻率標(biāo)準(zhǔn)(“秒”的新定義)、全球定位系統(tǒng)與精確制導(dǎo)，滿足國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求，等等.

華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事高靈敏、高分辨、高精密光譜研究，發(fā)展了多種無多普勒光譜技術(shù)，并在原子分子精密光譜基礎(chǔ)研究及包括激光精密控制、光學(xué)頻率精密測(cè)量等應(yīng)用基礎(chǔ)研究中取得了具有科學(xué)意義和潛在應(yīng)用價(jià)值的研究成果，特別是在冷原子精密光譜、光學(xué)頻率精密控制與精密測(cè)量、冷原子光鐘等前沿研究領(lǐng)域做出了創(chuàng)新性的成果，曾先后獲得上海市科技成果獎(jiǎng)和國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng).

4 結(jié)束語

縱觀現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)發(fā)展過程，從多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值給了我們重要的啟示：物理學(xué)基礎(chǔ)研究具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義，它對(duì)學(xué)科發(fā)展的作用及技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的價(jià)值是在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中逐漸體現(xiàn)出來的，對(duì)此的認(rèn)識(shí)要有科學(xué)的遠(yuǎn)見與創(chuàng)新意識(shí).科學(xué)與技術(shù)的創(chuàng)新是社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，科學(xué)研究不斷探索新的未知領(lǐng)域，促進(jìn)人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律，發(fā)展科學(xué)新技術(shù)并造福于人類社會(huì).在科學(xué)研究的歷史過程中,人們形成了追求真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，這種科學(xué)精神隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)整個(gè)社會(huì)精神面貌和人們的道德觀念都發(fā)生了深刻影響，大大推進(jìn)了人類社會(huì)精神文明的發(fā)展進(jìn)程.