編者按：本文最初發表於 1992 年 2 月的《大眾科學》雜誌，鑑於朱棣文被提名為美國能源部長，現重新發布。
在您翻閱這本雜誌的下一頁之前，請仔細考慮您的行為。每次您想抓住一頁紙時，您都必須將一根手指放在紙張上方，另一根手指放在下方，使每根手指與紙張之間的距離大約等於一個原子的直徑。此時，您手指表面的電子會排斥頁面兩側的電子。這種輕微的電荷重新分佈會產生一個足夠強大的電場，使您可以將紙張擠在手指之間。值得注意的是，透過在原子尺度上施加電力，您可以抓住整體上電中性的物體。
相比之下，操縱原子尺寸的中性物體是一項艱鉅的技術挑戰。帶電物體更容易控制，因為電場和磁場可以對它們施加更強的力。事實上，一個多世紀以來，科學家們一直在利用電磁力來操縱帶電粒子，如電子和離子。但直到最近幾年，研究人員才能夠遠距離地移動中性粒子。特別是，研究人員開發了使用雷射來捕獲和操縱原子和微米大小粒子的儀器，並具有驚人的控制能力。這些創新迅速導致了廣泛的應用。我的研究小組和其他人已經將原子冷卻到接近絕對零度的溫度——這種條件使我們能夠研究物質的量子態以及光與超冷原子之間不尋常的相互作用。我們已經開始開發原子鐘和極其靈敏的加速度計。我們的技術正被應用於處理諸如大型聚合物之類的單個分子。此外，我們還設計了一種“光學鑷子”，它利用雷射束來保持和移動細胞內的細胞器，而不會刺穿中間的膜。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
早在十年前，科學家們學會如何用雷射控制遠距離的中性粒子之前，他們就使用磁場實現了其中的一些任務。他們施加磁場來聚焦原子束並捕獲它們。在學習瞭如何用雷射捕獲原子後，他們轉向了大量的雷射技術來精確控制中性粒子。第一個中性粒子陷阱是由波恩大學的沃爾夫岡·保羅開發的。1978年，他和他的同事成功地在磁場中捕獲了中子。七年後，利用相同的基本原理，國家標準局的威廉·D·菲利普斯和他的同事們成功地捕獲了原子。
磁阱可以抓住具有類似微型條形磁鐵的磁特性的粒子。更準確地說，粒子必須攜帶一個小的磁偶極矩。如果將這樣的粒子放置在磁場強度從一個區域到另一個區域變化的磁場中，它將根據粒子的方向移動到磁場最弱或最強的部分[參見下一頁的插圖]。保羅意識到，有可能設計一個磁場，使其在磁場強度上具有區域性最小值，並且如果磁偶極子最初被調整為尋找磁場最弱的位置，它將保持在“弱場尋找”的方向[參見“冷卻和捕獲原子”，作者：W.D.菲利普斯和H.梅特卡夫；《大眾科學》，1987年3月]。
原子也可以透過雷射捕獲。光可以對原子和其他中性粒子施加力，因為它攜帶動量。如果原子受到特定頻率的光束轟擊，它將不斷地吸收和重新發射光子，即光的量子。當原子吸收光子時，它將接收到沿光束傳播方向的一系列動量衝擊。這些衝擊疊加起來會產生一個“散射”力，該力與每個光子的動量以及原子每秒散射的光子數成正比。當然，對於原子吸收的每個光子，它都必須發射一個。但是，由於光子的釋放沒有首選方向，因此發射引起的動量變化平均為零。吸收和發射的淨效應是將原子沿光傳播的方向推去。
這種散射力的大小相當小。如果原子吸收單個光子，它的速度變化與室溫下氣體中原子的平均速度相比是微不足道的。(這種變化大約為每秒一釐米，相當於螞蟻的爬行速度，而室溫下的原子則以超音速噴氣機的速度移動。)
這種散射力最早於1933年被發現，當時奧托·R·弗裡施利用它來偏轉鈉原子束。他透過在容器中汽化鈉來製備原子。為了形成光束，他讓原子透過容器中的一個孔和一系列狹縫。一旦形成，光束就會受到鈉燈的照射。儘管平均而言，每個鈉原子只吸收一個光子，但弗裡施能夠檢測到光束的輕微偏轉。
弗裡施產生的散射力太弱，無法捕獲原子。幾十年後，研究人員意識到，光子散射率可以提高到每秒超過1000萬個光子，相當於地球引力的10萬倍的力。對原子散射力的首次引人注目的演示是由菲利普斯和約翰·L·霍爾領導的兩個獨立小組在國家標準局進行的。1985年，他們停止了原子束，並將原子的溫度從大約300開爾文(室溫)降低到0.1開爾文。
雷射可獲得的散射力的強大使得研究人員希望他們不僅可以停止原子，還可以捕獲它們。但是，配置多個雷射束以便它們可以在空間的某個區域收集和集中原子的嘗試似乎註定要失敗。根據一個稱為光學恩肖定理的原理，如果散射力與光強度成正比，則不可能用任何光束配置來製造光陷阱。問題在於，光束不能被安排為只產生向內指向的力。任何進入捕獲區域的光最終都必須逸出，因此也必須攜帶向外指向的力。即使盧克·天行者是一名物理學家，(散射)力也不會永遠與他同在。
幸運的是，原子陷阱可以基於光對原子施加的另一種力。為了理解這種力，有必要考慮一下小顆粒如何被帶正電的物體所吸引，例如用貓皮摩擦的玻璃棒。該棒產生使粒子極化的電場。因此，粒子中正電荷的平均位置將比負電荷的平均位置略微遠離棒。據說這種不對稱的電荷分佈具有偶極矩。電場施加在粒子負電荷上的吸引性偶極力強於正電荷上的排斥力。結果，粒子被拉向電場最強的區域。請注意，這種力類似於最初用於捕獲中子和原子的磁偶極力。如果棒上的電荷為負，則電場將感應出極性相反的偶極矩，並且粒子仍然會被吸引到高電場區域。
由於偶極力，原子可以被空間中某一點具有區域性最大值的電場捕獲。可以透過巧妙地排列電荷來產生這種磁場嗎？對於任何固定電荷系統，答案是否定的。然而，在動態系統中可以實現具有區域性最大值的電場。特別是，由於光是由快速振盪的電磁場組成的，因此聚焦的雷射束可以產生具有區域性最大值的交變電場。當電場與原子相互作用時，它會改變原子周圍的電子分佈，從而感應出電偶極矩。因此，原子將被吸引到磁場中的區域性最大值，就像帶電粒子被拉向棒一樣。
電場快速變化的事實不會帶來問題。隨著電場極性的變化，原子的偶極矩也會發生轉換。只要電場的變化速度慢於原子的自然振盪頻率，偶極矩就與電場保持一致。因此，原子會繼續向區域性最大值移動。因此，這種偶極力可以用來限制原子。1968年，弗拉季連·S·列託霍夫首先提出，可以使用偶極力將原子捕獲在光束中，10年後，貝爾實驗室的亞瑟·阿什金提出了基於聚焦雷射束的更實用的陷阱。
雖然偶極力阱在概念上很優雅，但它存在實際問題。為了最大限度地減少散射力，必須將光的頻率調整到遠低於原子容易吸收光子的頻率。在那些較大的失諧下，捕獲力非常微弱，以至於低至 0.01 開爾文的冷原子也無法被保持在阱中。即使將更冷的原子放入阱中，它們也會由於始終存在的光子散射而在幾千分之一秒內從阱中逸出。此外，將原子注入阱中的任務似乎令人生畏，因為阱的體積只有 0.001 立方毫米。由於這些原因，光學捕獲的挑戰似乎非常艱鉅。
然後，在 1985 年，在原子在各個維度上被雷射冷卻到比停止的原子束低得多的溫度後，一種可行的光學阱方案變得明顯。雷射冷卻的想法最早由斯坦福大學的西奧多·漢施和阿瑟·肖洛在 1975 年提出。同年，華盛頓大學的大衛·J·維因蘭和漢斯·G·德梅爾特提出了用雷射冷卻捕獲離子的類似方案。研究人員預測，如果原子從兩側受到頻率略低於最大吸收所需頻率的雷射照射，則可以冷卻原子。如果原子朝與其中一束光相反的方向移動，從原子的角度來看，光的頻率會增加。頻率向上移動的光很可能被原子吸收。原子吸收的光會產生散射力，從而減慢原子的速度。
原子如何與沿同一方向傳播的光相互作用？原子不太可能吸收光，因為從原子的角度來看，光的頻率又向下移動了。兩束光的淨效應是產生一個散射力，與原子的運動方向相反。這個想法的精妙之處在於，朝相反方向運動的原子也會受到一個散射力的作用，將其拖向零速度。透過沿著三個相互垂直的軸用三組反向傳播的光束包圍原子，可以使原子在所有三個維度上冷卻。
1985 年，我和貝爾實驗室的阿什金、利奧·霍爾伯格、約翰·E·比約克霍爾姆和亞歷克斯·凱布林成功地將鈉原子冷卻到 240 毫開爾文。由於光場充當粘滯力，我們將用於產生阻力的雷射束組合稱為“光學糖漿”。儘管不是阱，但原子被限制在粘性介質中長達 0.5 秒的時間，直到最終它們會洩漏出冷卻光束。
光學糖漿使我們能夠解決阻礙構建雷射阱的三個主要問題。首先，透過將原子冷卻到極低的溫度，我們可以減少原子的隨機熱運動，使其易於捕獲。其次，我們可以很容易地將原子載入到阱中。只需將捕獲光束聚焦在光學糖漿的中心，原子就會在隨機遊走到捕獲光束中時被抓住。第三，透過在捕獲光和冷卻光之間交替，我們可以減少捕獲光的加熱效應。在我們完善光學糖漿一年後，原子最終可以用光捕獲。
即使使用我們第一個阱中使用的載入技術，也希望有更大的捕獲體積的光學阱。能夠利用散射力的阱需要少得多的光強度，這意味著必須規避光學恩肖定理施加的約束。關於如何設計這種阱的重要線索來自麻省理工學院的戴維·E·普里查德和科羅拉多大學的卡爾·E·威曼及其同事。他們指出，如果將隨空間變化的磁場或電場施加到原子上，則雷射引起的散射力不一定與光強度成正比。
這一建議促使巴黎高等師範學院的讓·達利巴提出一種“磁光”阱，該阱使用弱磁場和圓偏振光。1987 年，普里查德的研究小組和我自己在貝爾實驗室合作構建了這樣一個阱。三年後，威曼的團隊繼續表明，該技術可用於使用廉價的二極體雷射器將原子捕獲在玻璃池中。他們的方法消除了我們第一次捕獲實驗中所需的預冷卻程式。原子可以被捕獲在密封池中這一事實也意味著可以光學操縱稀有原子種類，例如放射性同位素。磁光阱已成為當今使用最廣泛的光學阱。
與此同時，研究人員在雷射冷卻方面取得了快速進展。菲利普斯和他的同事發現，在某些條件下，光學糖漿可用於將原子冷卻到遠低於現有理論預測的下限的溫度。這一發現促使法國大學的達利巴和克勞德·科恩-坦努吉以及我在斯坦福的研究小組構建了一種新的雷射冷卻理論，該理論基於原子與其與光場的相互作用之間複雜而美麗的相互作用。目前，可以將原子冷卻到平均速度等於三個半光子反衝的溫度。對於銫原子，這意味著溫度低於 3 微開爾文。
除了光學糖漿，科恩-坦努吉、阿蘭·阿斯佩克特、恩尼奧·阿里蒙多、羅賓·凱澤和娜塔莉·範斯滕基斯特當時都在高等師範學院，他們發明了一種巧妙的方案，能夠將氦原子冷卻到低於單個散射光子的反衝速度。氦原子已沿一個維度冷卻到 2 微開爾文，並且正在努力將該技術擴充套件到兩個和三個維度。這種冷卻方法以與我們在第一個光學阱中捕獲空間中的原子非常相似的方式，在一個明確定義的速度狀態下捕獲原子。當原子散射光子時，其速度會隨機變化。法國的實驗建立了允許原子反衝並落入特定量子態的條件，該量子態是具有兩個接近於零的不同速度的兩個狀態的組合。一旦處於這種狀態，散射更多光子的機會就會大大減少，這意味著額外的光子無法散射並增加速度。如果原子沒有恰好落入這種量子態，它會繼續散射光子，並且有更多機會尋找所需的低速狀態。因此，原子透過讓它們隨機行走進入“速度捕獲”的量子態而被冷卻。
除了冷卻和捕獲原子外，研究人員還展示了各種用於操縱原子的原子透鏡、反射鏡和衍射光柵。他們還製造了在光學中沒有對應物的裝置。斯坦福大學和波恩大學的研究人員製造了“原子漏斗”，可以將一堆熱原子轉化為可控的冷原子流。斯坦福小組還製造了一個“原子蹦床”，其中原子會從玻璃表面延伸出來的一片光上彈起。使用彎曲的玻璃表面，可以製造基於重力和光線的原子阱。
顯然，我們已經學會了以驚人的方式推動原子，但是所有這些技巧使我們能夠做什麼？對於氣態的極冷原子，物理學家可以研究原子在極低溫度下如何相互作用。根據量子理論，原子的行為就像一個波，其長度等於普朗克常數除以粒子的動量。隨著原子的冷卻，其動量減小，從而增加其波長。在足夠低的溫度下，平均波長變得與原子之間的平均距離相當。在這些低溫和高密度下，量子理論認為，所有原子的大部分將凝結成單個量子基態。這種不尋常的物質形式，被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體，已被預測，但在原子蒸汽中從未觀察到。M.LT. 的托馬斯·J·格雷塔克和丹尼爾·克萊普納以及阿姆斯特丹大學的 T. M. 沃爾拉文正在嘗試使用磁阱中的氫原子集合實現這種凝聚。與此同時，其他小組正在嘗試在雷射冷卻的鹼金屬原子樣品（如銫或鋰）中實現同樣的壯舉。
原子操縱技術也為高解析度光譜學提供了新的機會。透過結合幾種此類技術，斯坦福小組建立了一種裝置，該裝置將允許以精確的精度測量原子的光譜特徵。我們設計了一個原子噴泉，可以將超冷原子向上輕輕發射，使重力將其轉向。噴泉的原子由磁光阱收集 0.5 秒。經過那段時間後，大約 1000 萬個原子以大約每秒 2 米的速度向上發射。在軌跡的頂部，用兩個在時間上分開的微波輻射脈衝探測原子。如果輻射的頻率被正確調整，則這兩個脈衝會導致原子從一個量子態改變為另一個量子態。（諾曼·拉姆齊因發明和應用該技術而獲得了 1989 年的諾貝爾物理學獎。）在我們的第一個實驗中，我們以 2/1000 億的解析度測量了一個原子的兩個狀態之間的能量差。
噴泉如何實現如此精確的測量？首先，原子自由下落，並且很容易遮蔽任何可能改變其能級的擾動。其次，此類測量的精度受海森堡不確定性原理的限制。該原理指出，能量測量的解析度將限制為普朗克常數除以“測量”的時間。在我們的例子中，該時間對應於兩個微波脈衝之間的時間。使用原子噴泉，未擾動原子的測量時間可以長達 1 秒，這對於室溫下的原子來說是不可能的。
由於原子噴泉可以非常精確地測量原子的能級，因此有可能調整該裝置以製造改進的原子鐘。目前，世界時間標準由銫原子基態中兩個特定能級之間的能量差定義。在第一個原子噴泉兩年後，高等師範學院的小組使用噴泉以高精度測量了銫原子中的“時鐘躍遷”。這兩個實驗表明，經過適當設計的儀器可能能夠將該躍遷的絕對頻率測量到 1/10^16，比我們最佳時鐘的精度高 1000 倍。在這一潛力的誘惑下，目前全球有八個以上的研究小組正試圖用原子噴泉來改進銫時間標準。
另一個被深入研究的應用是原子干涉儀。第一個原子干涉儀於 1991 年由康斯坦茨大學、麻省理工學院、德國聯邦物理技術研究院和斯坦福大學的研究人員建造。
原子干涉儀將一個原子分裂成兩個在空間上分離的波。然後將原子的兩個部分重新組合，並允許它們相互干涉。當原子被迫穿過兩個分離的機械狹縫時，就會發生這種分裂的最簡單的例子。如果原子在穿過狹縫後重新組合，就可以觀察到波狀干涉條紋。來自原子的干涉效應戲劇性地證明了它們的行為需要波和粒子的描述。
更重要的是，原子干涉儀提供了高靈敏度測量物理現象的可能性。在首次展示潛在靈敏度的實驗中，馬克·卡塞維奇和我建立了一個使用慢原子的干涉儀。這些原子在一個噴泉中被分開並重新組合。透過這個儀器，我們已經證明，重力加速度的測量解析度至少可以達到 1 億分之三，我們預計很快會有 100 倍的提高。以前，原子受到的重力影響的測量精度約為 100 分之一。
近年來，原子捕獲的研究激發了人們對操縱其他中性粒子的新興趣。原子捕獲的基本原理可以應用於微米大小的粒子，如聚苯乙烯球體。聚焦雷射束中心的強電場會使粒子極化，就像使原子極化一樣。粒子，就像原子一樣，也會吸收特定頻率的光。例如，玻璃會強烈吸收紫外線輻射。但是，只要光的頻率低於吸收頻率，粒子就會被吸引到雷射強度最高的區域。
1986 年，阿什金、比約克霍爾姆、J.B. 傑濟克和我證明了尺寸在 0.02 到 10 微米之間的粒子可以被捕獲在單個聚焦雷射束中。1970 年，阿什金將懸浮在水中的微米級乳膠球體捕獲在兩個聚焦的、反向傳播的光束之間[參見阿瑟·阿什金的《雷射光壓》，《大眾科學》，1972 年 2 月]。但直到很久之後人們才意識到，如果將單束光束聚焦得足夠緊密，偶極力就足以克服將粒子推向雷射束傳播方向的散射力。
使用單束光束的巨大優勢在於，它可以作為光學鑷子來操縱小顆粒。透過將雷射匯入顯微鏡主體，並用觀察物鏡聚焦，光學鑷子可以很容易地與傳統的顯微鏡整合。放置在普通顯微鏡載玻片上的樣品可以同時被觀察和操縱，只需移動聚焦的雷射束即可。傑濟克和阿什金髮現的光學鑷子的一個應用已經抓住了生物學家的想象力。
他們發現，鑷子可以處理活細菌和其他生物體，而不會造成明顯的損傷。考慮到光學鑷子焦點處的典型雷射強度約為每平方釐米 1000 萬瓦，能夠無害地捕獲活生物體令人驚訝。事實證明，只要生物體在捕獲光的頻率下幾乎是透明的，就可以被周圍的水有效地冷卻。當然，如果雷射強度太高，生物體可能會被“光擊斃”。
人們已經找到了光學鑷子的許多應用。阿什金表明，可以操縱活細胞內的物體而不會刺穿細胞壁。馬薩諸塞州劍橋市羅蘭研究所和哈佛大學的史蒂文·M·布洛克和他的同事研究了細菌鞭毛的機械特性。加利福尼亞大學歐文分校的邁克爾·W·伯恩斯和他的同事操縱了細胞核內的染色體。
光學鑷子可以用來檢查更小的生物系統。我的同事羅伯特·西蒙斯、傑夫·菲納、詹姆斯·A·斯帕迪奇和我正在應用光學鑷子在分子水平上研究肌肉收縮。布洛克和杜克大學的邁克爾·P·希茨也在進行相關的研究。這項工作的一個目標是測量單個肌球蛋白分子拉動肌動蛋白絲時產生的力。我們正在透過將一個聚苯乙烯球體連線到肌動蛋白絲上，並使用光學鑷子抓住這個微球來探測這個“分子馬達”。當肌球蛋白頭部撞擊肌動蛋白絲時，顯微鏡觀察端的感光二極體會感知到運動。然後，一個反饋電路會指示光學鑷子對抗肌球蛋白的任何運動。透過這種方式，我們測量了張力下肌球蛋白的拉力強度。
在更小的尺度上，斯帕迪奇、史蒂夫·克倫、伊麗莎白·桑德曼、史蒂夫·奎克和我正在透過將聚苯乙烯球體連線到 DNA 鏈的兩端並用兩個光學鑷子抓住這些球體來操縱單個 DNA 分子。我們可以透過用染料分子染色 DNA、用氬雷射的綠光照射染料並用靈敏的攝像機檢測熒光來觀察分子。在我們的第一個實驗中，我們測量了 DNA 的彈性特性。將兩端拉開，直到分子完全拉直，然後釋放一端。透過研究分子如何彈回，我們可以檢驗遠離平衡狀態的聚合物物理學的基本理論。
鑷子也可以用來為其他實驗製備單個分子。透過將微球刺入顯微鏡載玻片並增加雷射功率，我們發現微球可以“點焊”到載玻片上，使 DNA 處於拉伸狀態。這項技術可能有助於製備長鏈 DNA，以便用最先進的顯微鏡進行檢查。最終，我們希望利用這些操縱能力來檢查酶沿 DNA 的運動，並解決與基因表達和修復相關的問題。
自研究人員停止原子、將它們捕獲在光學糖蜜中並製造出第一個原子阱以來，僅僅過去了六年。用一句流行的廣告語來說，光學阱使我們能夠以強大的新方式“伸出手觸控”粒子。我們已經證明，如果我們能“看到”一個原子或微觀粒子，我們就可以抓住它，無論中間是否有膜。看到原子物理學中深奧的猜想如何蓬勃發展，我感到個人非常高興：雷射冷卻和捕獲技術及其應用已經遠遠超出了我們早期的夢想。我們現在擁有用於物理學、化學和生物學的重要新工具。