编者按：本文最初发表于 1992 年 2 月的《大众科学》杂志，鉴于朱棣文被提名为美国能源部长，现重新发布。
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相比之下，操纵原子尺寸的中性物体是一项艰巨的技术挑战。带电物体更容易控制，因为电场和磁场可以对它们施加更强的力。事实上，一个多世纪以来，科学家们一直在利用电磁力来操纵带电粒子，如电子和离子。但直到最近几年，研究人员才能够远距离地移动中性粒子。特别是，研究人员开发了使用激光来捕获和操纵原子和微米大小粒子的仪器，并具有惊人的控制能力。这些创新迅速导致了广泛的应用。我的研究小组和其他人已经将原子冷却到接近绝对零度的温度——这种条件使我们能够研究物质的量子态以及光与超冷原子之间不寻常的相互作用。我们已经开始开发原子钟和极其灵敏的加速度计。我们的技术正被应用于处理诸如大型聚合物之类的单个分子。此外，我们还设计了一种“光学镊子”，它利用激光束来保持和移动细胞内的细胞器，而不会刺穿中间的膜。
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早在十年前，科学家们学会如何用激光控制远距离的中性粒子之前，他们就使用磁场实现了其中的一些任务。他们施加磁场来聚焦原子束并捕获它们。在学习了如何用激光捕获原子后，他们转向了大量的激光技术来精确控制中性粒子。第一个中性粒子陷阱是由波恩大学的沃尔夫冈·保罗开发的。1978年，他和他的同事成功地在磁场中捕获了中子。七年后，利用相同的基本原理，国家标准局的威廉·D·菲利普斯和他的同事们成功地捕获了原子。
磁阱可以抓住具有类似微型条形磁铁的磁特性的粒子。更准确地说，粒子必须携带一个小的磁偶极矩。如果将这样的粒子放置在磁场强度从一个区域到另一个区域变化的磁场中，它将根据粒子的方向移动到磁场最弱或最强的部分[参见下一页的插图]。保罗意识到，有可能设计一个磁场，使其在磁场强度上具有局部最小值，并且如果磁偶极子最初被调整为寻找磁场最弱的位置，它将保持在“弱场寻找”的方向[参见“冷却和捕获原子”，作者：W.D.菲利普斯和H.梅特卡夫；《大众科学》，1987年3月]。
原子也可以通过激光捕获。光可以对原子和其他中性粒子施加力，因为它携带动量。如果原子受到特定频率的光束轰击，它将不断地吸收和重新发射光子，即光的量子。当原子吸收光子时，它将接收到沿光束传播方向的一系列动量冲击。这些冲击叠加起来会产生一个“散射”力，该力与每个光子的动量以及原子每秒散射的光子数成正比。当然，对于原子吸收的每个光子，它都必须发射一个。但是，由于光子的释放没有首选方向，因此发射引起的动量变化平均为零。吸收和发射的净效应是将原子沿光传播的方向推去。
这种散射力的大小相当小。如果原子吸收单个光子，它的速度变化与室温下气体中原子的平均速度相比是微不足道的。(这种变化大约为每秒一厘米，相当于蚂蚁的爬行速度，而室温下的原子则以超音速喷气机的速度移动。)
这种散射力最早于1933年被发现，当时奥托·R·弗里施利用它来偏转钠原子束。他通过在容器中汽化钠来制备原子。为了形成光束，他让原子通过容器中的一个孔和一系列狭缝。一旦形成，光束就会受到钠灯的照射。尽管平均而言，每个钠原子只吸收一个光子，但弗里施能够检测到光束的轻微偏转。
弗里施产生的散射力太弱，无法捕获原子。几十年后，研究人员意识到，光子散射率可以提高到每秒超过1000万个光子，相当于地球引力的10万倍的力。对原子散射力的首次引人注目的演示是由菲利普斯和约翰·L·霍尔领导的两个独立小组在国家标准局进行的。1985年，他们停止了原子束，并将原子的温度从大约300开尔文(室温)降低到0.1开尔文。
激光可获得的散射力的强大使得研究人员希望他们不仅可以停止原子，还可以捕获它们。但是，配置多个激光束以便它们可以在空间的某个区域收集和集中原子的尝试似乎注定要失败。根据一个称为光学恩肖定理的原理，如果散射力与光强度成正比，则不可能用任何光束配置来制造光陷阱。问题在于，光束不能被安排为只产生向内指向的力。任何进入捕获区域的光最终都必须逸出，因此也必须携带向外指向的力。即使卢克·天行者是一名物理学家，(散射)力也不会永远与他同在。
幸运的是，原子陷阱可以基于光对原子施加的另一种力。为了理解这种力，有必要考虑一下小颗粒如何被带正电的物体所吸引，例如用猫皮摩擦的玻璃棒。该棒产生使粒子极化的电场。因此，粒子中正电荷的平均位置将比负电荷的平均位置略微远离棒。据说这种不对称的电荷分布具有偶极矩。电场施加在粒子负电荷上的吸引性偶极力强于正电荷上的排斥力。结果，粒子被拉向电场最强的区域。请注意，这种力类似于最初用于捕获中子和原子的磁偶极力。如果棒上的电荷为负，则电场将感应出极性相反的偶极矩，并且粒子仍然会被吸引到高电场区域。
由于偶极力，原子可以被空间中某一点具有局部最大值的电场捕获。可以通过巧妙地排列电荷来产生这种磁场吗？对于任何固定电荷系统，答案是否定的。然而，在动态系统中可以实现具有局部最大值的电场。特别是，由于光是由快速振荡的电磁场组成的，因此聚焦的激光束可以产生具有局部最大值的交变电场。当电场与原子相互作用时，它会改变原子周围的电子分布，从而感应出电偶极矩。因此，原子将被吸引到磁场中的局部最大值，就像带电粒子被拉向棒一样。
电场快速变化的事实不会带来问题。随着电场极性的变化，原子的偶极矩也会发生转换。只要电场的变化速度慢于原子的自然振荡频率，偶极矩就与电场保持一致。因此，原子会继续向局部最大值移动。因此，这种偶极力可以用来限制原子。1968年，弗拉季连·S·列托霍夫首先提出，可以使用偶极力将原子捕获在光束中，10年后，贝尔实验室的亚瑟·阿什金提出了基于聚焦激光束的更实用的陷阱。
虽然偶极力阱在概念上很优雅，但它存在实际问题。为了最大限度地减少散射力，必须将光的频率调整到远低于原子容易吸收光子的频率。在那些较大的失谐下，捕获力非常微弱，以至于低至 0.01 开尔文的冷原子也无法被保持在阱中。即使将更冷的原子放入阱中，它们也会由于始终存在的光子散射而在几千分之一秒内从阱中逸出。此外，将原子注入阱中的任务似乎令人生畏，因为阱的体积只有 0.001 立方毫米。由于这些原因，光学捕获的挑战似乎非常艰巨。
然后，在 1985 年，在原子在各个维度上被激光冷却到比停止的原子束低得多的温度后，一种可行的光学阱方案变得明显。激光冷却的想法最早由斯坦福大学的西奥多·汉施和阿瑟·肖洛在 1975 年提出。同年，华盛顿大学的大卫·J·维因兰和汉斯·G·德梅尔特提出了用激光冷却捕获离子的类似方案。研究人员预测，如果原子从两侧受到频率略低于最大吸收所需频率的激光照射，则可以冷却原子。如果原子朝与其中一束光相反的方向移动，从原子的角度来看，光的频率会增加。频率向上移动的光很可能被原子吸收。原子吸收的光会产生散射力，从而减慢原子的速度。
原子如何与沿同一方向传播的光相互作用？原子不太可能吸收光，因为从原子的角度来看，光的频率又向下移动了。两束光的净效应是产生一个散射力，与原子的运动方向相反。这个想法的精妙之处在于，朝相反方向运动的原子也会受到一个散射力的作用，将其拖向零速度。通过沿着三个相互垂直的轴用三组反向传播的光束包围原子，可以使原子在所有三个维度上冷却。
1985 年，我和贝尔实验室的阿什金、利奥·霍尔伯格、约翰·E·比约克霍尔姆和亚历克斯·凯布尔成功地将钠原子冷却到 240 毫开尔文。由于光场充当粘滞力，我们将用于产生阻力的激光束组合称为“光学糖浆”。尽管不是阱，但原子被限制在粘性介质中长达 0.5 秒的时间，直到最终它们会泄漏出冷却光束。
光学糖浆使我们能够解决阻碍构建激光阱的三个主要问题。首先，通过将原子冷却到极低的温度，我们可以减少原子的随机热运动，使其易于捕获。其次，我们可以很容易地将原子加载到阱中。只需将捕获光束聚焦在光学糖浆的中心，原子就会在随机游走到捕获光束中时被抓住。第三，通过在捕获光和冷却光之间交替，我们可以减少捕获光的加热效应。在我们完善光学糖浆一年后，原子最终可以用光捕获。
即使使用我们第一个阱中使用的加载技术，也希望有更大的捕获体积的光学阱。能够利用散射力的阱需要少得多的光强度，这意味着必须规避光学恩肖定理施加的约束。关于如何设计这种阱的重要线索来自麻省理工学院的戴维·E·普里查德和科罗拉多大学的卡尔·E·威曼及其同事。他们指出，如果将随空间变化的磁场或电场施加到原子上，则激光引起的散射力不一定与光强度成正比。
这一建议促使巴黎高等师范学院的让·达利巴提出一种“磁光”阱，该阱使用弱磁场和圆偏振光。1987 年，普里查德的研究小组和我自己在贝尔实验室合作构建了这样一个阱。三年后，威曼的团队继续表明，该技术可用于使用廉价的二极管激光器将原子捕获在玻璃池中。他们的方法消除了我们第一次捕获实验中所需的预冷却程序。原子可以被捕获在密封池中这一事实也意味着可以光学操纵稀有原子种类，例如放射性同位素。磁光阱已成为当今使用最广泛的光学阱。
与此同时，研究人员在激光冷却方面取得了快速进展。菲利普斯和他的同事发现，在某些条件下，光学糖浆可用于将原子冷却到远低于现有理论预测的下限的温度。这一发现促使法国大学的达利巴和克劳德·科恩-坦努吉以及我在斯坦福的研究小组构建了一种新的激光冷却理论，该理论基于原子与其与光场的相互作用之间复杂而美丽的相互作用。目前，可以将原子冷却到平均速度等于三个半光子反冲的温度。对于铯原子，这意味着温度低于 3 微开尔文。
除了光学糖浆，科恩-坦努吉、阿兰·阿斯佩克特、恩尼奥·阿里蒙多、罗宾·凯泽和娜塔莉·范斯滕基斯特当时都在高等师范学院，他们发明了一种巧妙的方案，能够将氦原子冷却到低于单个散射光子的反冲速度。氦原子已沿一个维度冷却到 2 微开尔文，并且正在努力将该技术扩展到两个和三个维度。这种冷却方法以与我们在第一个光学阱中捕获空间中的原子非常相似的方式，在一个明确定义的速度状态下捕获原子。当原子散射光子时，其速度会随机变化。法国的实验建立了允许原子反冲并落入特定量子态的条件，该量子态是具有两个接近于零的不同速度的两个状态的组合。一旦处于这种状态，散射更多光子的机会就会大大减少，这意味着额外的光子无法散射并增加速度。如果原子没有恰好落入这种量子态，它会继续散射光子，并且有更多机会寻找所需的低速状态。因此，原子通过让它们随机行走进入“速度捕获”的量子态而被冷却。
除了冷却和捕获原子外，研究人员还展示了各种用于操纵原子的原子透镜、反射镜和衍射光栅。他们还制造了在光学中没有对应物的设备。斯坦福大学和波恩大学的研究人员制造了“原子漏斗”，可以将一堆热原子转化为可控的冷原子流。斯坦福小组还制造了一个“原子蹦床”，其中原子会从玻璃表面延伸出来的一片光上弹起。使用弯曲的玻璃表面，可以制造基于重力和光线的原子阱。
显然，我们已经学会了以惊人的方式推动原子，但是所有这些技巧使我们能够做什么？对于气态的极冷原子，物理学家可以研究原子在极低温度下如何相互作用。根据量子理论，原子的行为就像一个波，其长度等于普朗克常数除以粒子的动量。随着原子的冷却，其动量减小，从而增加其波长。在足够低的温度下，平均波长变得与原子之间的平均距离相当。在这些低温和高密度下，量子理论认为，所有原子的大部分将凝结成单个量子基态。这种不寻常的物质形式，被称为玻色-爱因斯坦凝聚体，已被预测，但在原子蒸汽中从未观察到。M.LT. 的托马斯·J·格雷塔克和丹尼尔·克莱普纳以及阿姆斯特丹大学的 T. M. 沃尔拉文正在尝试使用磁阱中的氢原子集合实现这种凝聚。与此同时，其他小组正在尝试在激光冷却的碱金属原子样品（如铯或锂）中实现同样的壮举。
原子操纵技术也为高分辨率光谱学提供了新的机会。通过结合几种此类技术，斯坦福小组创建了一种设备，该设备将允许以精确的精度测量原子的光谱特征。我们设计了一个原子喷泉，可以将超冷原子向上轻轻发射，使重力将其转向。喷泉的原子由磁光阱收集 0.5 秒。经过那段时间后，大约 1000 万个原子以大约每秒 2 米的速度向上发射。在轨迹的顶部，用两个在时间上分开的微波辐射脉冲探测原子。如果辐射的频率被正确调整，则这两个脉冲会导致原子从一个量子态改变为另一个量子态。（诺曼·拉姆齐因发明和应用该技术而获得了 1989 年的诺贝尔物理学奖。）在我们的第一个实验中，我们以 2/1000 亿的分辨率测量了一个原子的两个状态之间的能量差。
喷泉如何实现如此精确的测量？首先，原子自由下落，并且很容易屏蔽任何可能改变其能级的扰动。其次，此类测量的精度受海森堡不确定性原理的限制。该原理指出，能量测量的分辨率将限制为普朗克常数除以“测量”的时间。在我们的例子中，该时间对应于两个微波脉冲之间的时间。使用原子喷泉，未扰动原子的测量时间可以长达 1 秒，这对于室温下的原子来说是不可能的。
由于原子喷泉可以非常精确地测量原子的能级，因此有可能调整该设备以制造改进的原子钟。目前，世界时间标准由铯原子基态中两个特定能级之间的能量差定义。在第一个原子喷泉两年后，高等师范学院的小组使用喷泉以高精度测量了铯原子中的“时钟跃迁”。这两个实验表明，经过适当设计的仪器可能能够将该跃迁的绝对频率测量到 1/10^16，比我们最佳时钟的精度高 1000 倍。在这一潜力的诱惑下，目前全球有八个以上的研究小组正试图用原子喷泉来改进铯时间标准。
另一个被深入研究的应用是原子干涉仪。第一个原子干涉仪于 1991 年由康斯坦茨大学、麻省理工学院、德国联邦物理技术研究院和斯坦福大学的研究人员建造。
原子干涉仪将一个原子分裂成两个在空间上分离的波。然后将原子的两个部分重新组合，并允许它们相互干涉。当原子被迫穿过两个分离的机械狭缝时，就会发生这种分裂的最简单的例子。如果原子在穿过狭缝后重新组合，就可以观察到波状干涉条纹。来自原子的干涉效应戏剧性地证明了它们的行为需要波和粒子的描述。
更重要的是，原子干涉仪提供了高灵敏度测量物理现象的可能性。在首次展示潜在灵敏度的实验中，马克·卡塞维奇和我创建了一个使用慢原子的干涉仪。这些原子在一个喷泉中被分开并重新组合。通过这个仪器，我们已经证明，重力加速度的测量分辨率至少可以达到 1 亿分之三，我们预计很快会有 100 倍的提高。以前，原子受到的重力影响的测量精度约为 100 分之一。
近年来，原子捕获的研究激发了人们对操纵其他中性粒子的新兴趣。原子捕获的基本原理可以应用于微米大小的粒子，如聚苯乙烯球体。聚焦激光束中心的强电场会使粒子极化，就像使原子极化一样。粒子，就像原子一样，也会吸收特定频率的光。例如，玻璃会强烈吸收紫外线辐射。但是，只要光的频率低于吸收频率，粒子就会被吸引到激光强度最高的区域。
1986 年，阿什金、比约克霍尔姆、J.B. 杰济克和我证明了尺寸在 0.02 到 10 微米之间的粒子可以被捕获在单个聚焦激光束中。1970 年，阿什金将悬浮在水中的微米级乳胶球体捕获在两个聚焦的、反向传播的光束之间[参见阿瑟·阿什金的《激光光压》，《大众科学》，1972 年 2 月]。但直到很久之后人们才意识到，如果将单束光束聚焦得足够紧密，偶极力就足以克服将粒子推向激光束传播方向的散射力。
使用单束光束的巨大优势在于，它可以作为光学镊子来操纵小颗粒。通过将激光导入显微镜主体，并用观察物镜聚焦，光学镊子可以很容易地与传统的显微镜集成。放置在普通显微镜载玻片上的样品可以同时被观察和操纵，只需移动聚焦的激光束即可。杰济克和阿什金发现的光学镊子的一个应用已经抓住了生物学家的想象力。
他们发现，镊子可以处理活细菌和其他生物体，而不会造成明显的损伤。考虑到光学镊子焦点处的典型激光强度约为每平方厘米 1000 万瓦，能够无害地捕获活生物体令人惊讶。事实证明，只要生物体在捕获光的频率下几乎是透明的，就可以被周围的水有效地冷却。当然，如果激光强度太高，生物体可能会被“光击毙”。
人们已经找到了光学镊子的许多应用。阿什金表明，可以操纵活细胞内的物体而不会刺穿细胞壁。马萨诸塞州剑桥市罗兰研究所和哈佛大学的史蒂文·M·布洛克和他的同事研究了细菌鞭毛的机械特性。加利福尼亚大学欧文分校的迈克尔·W·伯恩斯和他的同事操纵了细胞核内的染色体。
光学镊子可以用来检查更小的生物系统。我的同事罗伯特·西蒙斯、杰夫·菲纳、詹姆斯·A·斯帕迪奇和我正在应用光学镊子在分子水平上研究肌肉收缩。布洛克和杜克大学的迈克尔·P·希茨也在进行相关的研究。这项工作的一个目标是测量单个肌球蛋白分子拉动肌动蛋白丝时产生的力。我们正在通过将一个聚苯乙烯球体连接到肌动蛋白丝上，并使用光学镊子抓住这个微球来探测这个“分子马达”。当肌球蛋白头部撞击肌动蛋白丝时，显微镜观察端的感光二极管会感知到运动。然后，一个反馈电路会指示光学镊子对抗肌球蛋白的任何运动。通过这种方式，我们测量了张力下肌球蛋白的拉力强度。
在更小的尺度上，斯帕迪奇、史蒂夫·克伦、伊丽莎白·桑德曼、史蒂夫·奎克和我正在通过将聚苯乙烯球体连接到 DNA 链的两端并用两个光学镊子抓住这些球体来操纵单个 DNA 分子。我们可以通过用染料分子染色 DNA、用氩激光的绿光照射染料并用灵敏的摄像机检测荧光来观察分子。在我们的第一个实验中，我们测量了 DNA 的弹性特性。将两端拉开，直到分子完全拉直，然后释放一端。通过研究分子如何弹回，我们可以检验远离平衡状态的聚合物物理学的基本理论。
镊子也可以用来为其他实验制备单个分子。通过将微球刺入显微镜载玻片并增加激光功率，我们发现微球可以“点焊”到载玻片上，使 DNA 处于拉伸状态。这项技术可能有助于制备长链 DNA，以便用最先进的显微镜进行检查。最终，我们希望利用这些操纵能力来检查酶沿 DNA 的运动，并解决与基因表达和修复相关的问题。
自研究人员停止原子、将它们捕获在光学糖蜜中并制造出第一个原子阱以来，仅仅过去了六年。用一句流行的广告语来说，光学阱使我们能够以强大的新方式“伸出手触摸”粒子。我们已经证明，如果我们能“看到”一个原子或微观粒子，我们就可以抓住它，无论中间是否有膜。看到原子物理学中深奥的猜想如何蓬勃发展，我感到个人非常高兴：激光冷却和捕获技术及其应用已经远远超出了我们早期的梦想。我们现在拥有用于物理学、化学和生物学的重要新工具。