当您阅读这些文字时，空气分子正以每小时2000英里的速度在您周围飞驰，比高速子弹还快，并从四面八方向您轰击。与此同时，构成您身体的原子和分子也在不停地翻滚、振动或相互碰撞。自然界中没有任何东西是完全静止的，事物运动得越快，它们携带的能量就越多；原子和分子的集体能量就是我们所说的热量，也是我们感受到的热量。
即使完全静止，即绝对零度对应的温度，在物理上是不可能的，科学家们也一直在不断逼近这个极限。在如此极端的领域，奇异的量子效应开始显现，并产生新的和不寻常的物质状态。特别是，将原子气体云（与液态或固态物质相对）冷却到略高于绝对零度几分之一度的温度，使研究人员能够观察到物质粒子表现得像波一样，创造出历史上最精确的测量仪器，并制造出最精确的原子钟。
这些原子冷却技术的缺点是，它们仅适用于元素周期表中的少数元素，限制了它们的用途。例如，氢，所有原子中最简单的原子，长期以来极难冷却。然而，现在，我的研究小组已经演示了一种新的冷却方法，该方法适用于大多数元素和许多类型的分子。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
我的灵感：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的维多利亚时代思想实验。这位伟大的苏格兰物理学家提出了“恶魔”的可能性，它似乎能够违反热力学规则。
这项新发现的能力将开启基础研究的新方向，并带来广泛的实际应用。例如，该技术的变体可能导致稀有同位素的纯化工艺，这些同位素在医学和基础研究中具有重要用途。另一个衍生应用可能是提高用于制造计算机芯片的纳米级制造方法的精度。在科学方面，冷却原子和分子可能使研究人员能够探索量子物理学和普通化学之间的无人区，或者揭示物质和反物质之间可能存在的行为差异。而超冷氢及其同位素可以帮助小型实验室回答传统上需要大型实验（例如粒子加速器中的实验）才能解答的基础物理学问题。
追逐子弹
停止和操纵原子和分子绝非易事。在一个典型的实验中，研究人员首先通过加热固体或用激光汽化固体来产生某种化学元素的稀薄气体。然后必须减速气体，将其限制在真空腔中，并使其远离腔壁。
我从一个历史悠久的技巧开始。40多年前，化学家发现，在几个大气压的压力下，气体通过小孔逸入真空时，会随着膨胀而显著冷却。值得注意的是，这些“超音速束”几乎是单能的，这意味着分子的速度都将非常接近平均速度：例如，如果光束以每小时2000英里的速度射出，则其中的分子的速度偏差最多为每小时20英里。相比之下，室温下空气分子的平均速度为每小时2000英里，但速度可能在0到每小时4000英里之间的任何位置。从热力学的角度来看，这意味着光束尽管具有大量的能量，但却非常冷。这样想：以每小时2000英里的速度与光束一起移动的观察者会看到分子移动得如此缓慢，以至于光束的温度仅比绝对零度高百分之一度！
我意识到，如果我的合作者和我能够减慢并停止这样的光束，同时保持速度的微小差异，我们最终可能会得到相当冷的原子团，然后我们可以将其捕获并进一步冷却。
为了实现该目标，我的团队从2004年开始与特拉维夫大学的化学家乌兹·埃文一起研究超音速束。我们的第一次尝试是制造一个转子，其叶片边缘的移动速度为超音速气体束速度的一半。我们将光束脉冲瞄准转子后退的叶片，使光束的速度与叶片的速度精确抵消。当气体原子从转子反弹时，转子会带走它们的所有动能，就像后退的网球拍可以将球停下来一样。
然而，这种设置难以操作，因为它需要极其精细的调整。德克萨斯大学奥斯汀分校电磁力学中心主任罗伯特·赫布纳提出了一种不同的设计：当射弹在线圈炮中快速移动时，使气体从射弹的背面反弹。线圈炮是一种实验性武器，它使用磁场而不是火药将磁化射弹推出枪管。它的工作原理是通过一系列带有电流的线圈加速子弹，从而产生磁场。子弹本质上是一个条形磁铁，它被吸引到它正在穿过的线圈的中心。因此，接近的子弹会被吸引力加速。另一方面，一旦子弹穿过中心，力就会开始将其拉回，从而将其速度减慢至原始速度。但是，每个线圈中的电流都会在射弹穿过其中心的那一刻精确地关闭，从而使磁力始终将射弹沿正确的方向（沿枪管向下）推动。
我很快意识到，我们可以应用赫布纳的想法，但完全摆脱子弹。相反，我们将对光束本身应用相同的原理，尽管是相反的：线圈炮的线圈在这种情况下将直接作用于气体分子，使它们静止。这个技巧之所以可行，是因为大多数原子都具有至少少量磁性，并且当它们的电子处于激发态时，所有原子都具有磁性。许多类型的分子也具有磁性。
我们制造了新设备，并首先在激发态氖原子上进行了测试，然后在氧分子上进行了测试。我们成功地阻止了这两种物质。在我们不知情的情况下，苏黎世由弗雷德里克·默克特领导的一个研究小组独立开发了相同的想法，并在我们进行自己的实验的大致同一时间成功地阻止了原子氢。世界各地的几个研究小组现在已经制造了自己的原子线圈炮，这些装置最终非常简单且坚固，基于普通的铜线、现成的电容器和晶体管。
一旦我们成功地以这种方式阻止了原子，将它们捕获在静态磁场中就相对简单了。更困难的问题是找到进一步冷却它们的方法。虽然 0.01 开尔文（比绝对零度高百分之一度）听起来很冷，但它仍然远未达到其他技术达到的极限。我们需要找到一种方法来降低温度。
单向道路
早在有人想到原子线圈炮之前，我就一直在考虑通用的冷却方法，但很长一段时间我都没有看到解决方案。激光冷却技术于 1980 年代发明，非常成功，促成了称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态的创造，并在 1997 年和 2001 年获得了两次诺贝尔物理学奖。但是，激光冷却的适用范围主要限于元素周期表第一列中的原子，例如钠或钾，因为这些原子很容易在基态和单个激发态之间切换，这是该技术所要求的。我考虑的另一种方法是蒸发冷却，它依赖于撇去热原子，留下较冷的原子（这与汗水从皮肤蒸发时为我们降温的原理相同）。但是，如果没有激光冷却的帮助，就很难达到足以启动蒸发的高密度。
2004 年 2 月，我访问了普林斯顿大学，并与等离子体物理学家纳撒尼尔·J·费什进行了交谈。他告诉我他刚刚开发的一个想法：如何在等离子体（电子和正离子气体）中驱动电子电流，其方案使电子向一个方向移动而不是另一个方向移动。我想知道我们是否可以用原子或分子完成类似的事情：构建一个“门”，让原子在一个方向上通过，而不是另一个方向上通过。
暂且抛开如何实际构建单向门的技术问题，让我首先解释一下为什么这样的设备可能有助于冷却气体。第一步是在不升高温度的情况下减少气体的体积。假设一个门将容器分隔成两个体积。气体原子在容器中随机反弹，迟早会飞向门。如果门只允许它们在一个方向上通过，例如，从左到右，最终所有原子都会集中在容器的右侧。至关重要的是，原子的速度在此过程中不会改变，因此气体的温度将与其开始时的温度相同。（从热力学的角度来看，此过程与将气体压缩到体积的右半部分完全不同，后者会加速原子，从而升高温度。）
第二步是让气体膨胀回其原始体积。当气体膨胀时，其温度会降低，这就是为什么喷雾罐在使用过程中会变冷的原因。因此，最终结果将是具有原始体积但温度较低的气体。
长期以来困扰物理学家的问题是，这种原子分类门似乎违反了物理定律。在其压缩状态下，气体的熵较低，熵是系统中无序量的度量。但根据热力学第二定律，在不消耗能量并在其他地方产生更多熵的情况下，不可能降低系统的熵。
自詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在 1871 年提出的思想实验以来，这个悖论一直是争议的话题，在该实验中，“具有灵巧双手的智能生物”可以观察粒子的来来往往，并适当地打开或关闭门。这种假想的生物被称为麦克斯韦妖，它似乎违反了热力学第二定律，因为它可以在消耗可忽略不计的能量的情况下降低气体的熵。经过多年，在 1929 年，利奥·西拉德解决了这个悖论。他提出，恶魔每次打开活板门时都会收集信息。他认为，这些信息带有熵，它与气体熵的减少完全平衡，从而“挽救”了第二定律。（西拉德超前于他的时代：在后来的几十年中，信息具有真实物理意义的概念可以说开启了现代信息科学。）
所有围绕麦克斯韦困境的思考，包括西拉德的解决方案，都纯粹是推测性的，并且在许多年里，它似乎注定要保持这种状态。然而，我的同事和我创造了麦克斯韦思想实验的第一个物理实现，就像麦克斯韦设想的那样。（其他最近的实验已经做了概念上类似的事情，但使用了纳米机器而不是气体门。）我们用它将原子冷却到低至 1500 万分之一开尔文的温度。
正如我们将要看到的，我们制造的设备阐明了麦克斯韦妖如何在实践中存在，以及为什么西拉德的洞察力（信息起着至关重要的作用）是正确的。
我推断，为了使单向门工作，气体中的原子必须具有两种不同的状态（轨道电子的可能配置），这两种状态都具有低能量，因此是稳定的。让我们将这两种状态称为蓝色和红色。原子悬浮在一个容器中，该容器的中间被激光束切割。光束被调谐到使红色原子在接近它时反弹回来的波长，因此它本质上充当封闭的门。最初，所有原子都是蓝色的，因此可以畅通无阻地穿过激光屏障。但是，就在屏障光束的右侧，原子受到第二束激光的照射，这束激光被调谐为使原子通过散射单个光子从蓝色变为红色。现在，原子变成红色，受到屏障光束的排斥，因此无法穿过门并返回左侧。最终，所有原子都聚集在右侧，左侧保持为空。
我们在 2008 年初首次用原子铷演示了我们的门。我们将我们的方法称为单光子冷却，以区别于早期的激光冷却，后者需要许多光子来冷却每个原子。
与此同时，在我不知情的情况下，西班牙毕尔巴鄂大学的冈萨洛·穆加与他的合作者安德烈亚斯·鲁什豪普特（现任德国汉诺威莱布尼茨大学）独立开发了一个类似的概念。从那时起，穆加、鲁什豪普特和我一起研究了该门的一些理论方面。在 2006 年发表的一篇联合论文中，我们指出，当原子散射一个光子时，光子会带走关于该原子的信息——以及一个微小的量子熵。此外，虽然原始光子是有序光子序列（激光束）的一部分，但散射的光子会向随机方向射出。因此，光子变得更加无序，我们表明，光熵的相应增加与原子熵的减少完全平衡，因为原子被单向门限制。因此，单光子冷却作为麦克斯韦妖工作，其意义与利奥·西拉德在 1929 年设想的完全相同。在这种情况下，恶魔特别简单有效：激光束通过散射单个光子来诱导不可逆过程。这样的恶魔当然既不是智能生物，也不是计算机，也不需要根据来自原子的信息做出决定。信息可用并且原则上可以收集就足够了。
捕获和冷却的前沿
对原子和分子运动的控制开辟了科学的新方向。化学家长期以来一直梦想捕获和冷却分子，以研究量子状态下的化学反应。线圈炮适用于任何磁性分子，并且补充了一种使用电力而不是磁力来减慢任何电极化分子的方法。如果分子足够小，那么单光子冷却应该能够将温度降低到足够低的程度，以至于量子现象开始占主导地位。例如，分子变成拉伸波，可以在比通常更大的距离上发生化学反应，并且不需要为普通反应提供能量的动能。几个研究小组现在正在追求这个方向。
单光子冷却的另一个主要优点是它适用于氢及其同位素氘（除了原子核中的单个质子外，还带有一个中子）和氚（带有两个中子）。在 1990 年代后期，麻省理工学院的丹·克莱普纳和托马斯·J·格雷塔克通过英勇的努力，使用低温方法和蒸发冷却成功地捕获和冷却了氢，但他们从未对其他同位素做过同样的事情。进一步的进展取决于在相对简单的设备中捕获和冷却氢同位素的新方法。单光子冷却非常适合捕获和冷却所有三种氢同位素。一个目标是突破超高精度光谱学的当前极限，这是冷原子的另一个重要应用。
捕获和冷却氚可能使测量中微子的质量成为可能，中微子是宇宙中已知最丰富的基本粒子，从而更好地理解粒子对宇宙演化的引力效应。氚具有放射性，当其中一个中子衰变成质子、电子和反中微子（中微子的反物质对应物）时，它会嬗变成氦 3。通过测量作为 β 射线射出的电子的能量，物理学家可以确定随反中微子一起消失的能量（反中微子会穿过设备而未被检测到），从而确定反中微子的质量；物理学家预计中微子的质量与反中微子的质量相同。
相同的方法也适用于捕获和冷却反氢，反氢是氢的反物质等效物。反氢是最近才在日内瓦附近的粒子物理实验室 CERN 创建的，并且极难处理，因为反物质一旦与物质接触就会消失，变成能量闪光。在这种情况下，超音速束方法不能用作起点。相反，可以通过将反质子发射到正电子云中来生成反氢束，然后使用我们的麦克斯韦妖将其停止和冷却。使用反氢进行的实验将能够回答一个简单的问题：反物质的下落方式与物质相同吗？换句话说，引力对所有质量相同的物体的作用方式是否相同？
原子线圈炮和单光子冷却的新技术也可能具有重要的实际应用。元素周期表上大多数元素的同位素仍然使用一种称为卡吕琴的装置分离，该装置是欧内斯特·劳伦斯在曼哈顿计划期间发明的。卡吕琴通过电场分离质量略有不同的同位素，本质上就像一个大型质谱仪。目前唯一活跃的卡吕琴计划在俄罗斯，效率很低。类似于冷却中工作的麦克斯韦妖概念可用于分离光束中的同位素，并且比卡吕琴更有效。这种方法可以生产少量同位素，例如钙 48 或镱 168，这些同位素与医学和基础研究相关，但不会造成核扩散风险，因为它仅适用于分离极少量同位素。
我们正在追求的另一个衍生应用是在纳米尺度上构建结构。与其使用磁场来减慢原子速度，不如让磁场像透镜聚焦光一样聚焦原子束，但分辨率仅为一纳米或更好。然后，这些光束可以沉积原子，以创建比光学光刻（计算机芯片制造的黄金标准）现在可能的更小的细节。以这种自下而上的方式（而不是纳米科学中更常见的自上而下的方法）创建纳米结构的能力将开启一个我称之为原子科学的新领域。
绝对零度可能仍然像以往一样遥不可及，但在通往那里的道路上，仍有许多发现和收获。