當您閱讀這些文字時，空氣分子正以每小時2000英里的速度在您周圍飛馳，比高速子彈還快，並從四面八方向您轟擊。與此同時，構成您身體的原子和分子也在不停地翻滾、振動或相互碰撞。自然界中沒有任何東西是完全靜止的，事物運動得越快，它們攜帶的能量就越多；原子和分子的集體能量就是我們所說的熱量，也是我們感受到的熱量。
即使完全靜止，即絕對零度對應的溫度，在物理上是不可能的，科學家們也一直在不斷逼近這個極限。在如此極端的領域，奇異的量子效應開始顯現，併產生新的和不尋常的物質狀態。特別是，將原子氣體雲（與液態或固態物質相對）冷卻到略高於絕對零度幾分之一度的溫度，使研究人員能夠觀察到物質粒子表現得像波一樣，創造出歷史上最精確的測量儀器，並製造出最精確的原子鐘。
這些原子冷卻技術的缺點是，它們僅適用於元素週期表中的少數元素，限制了它們的用途。例如，氫，所有原子中最簡單的原子，長期以來極難冷卻。然而，現在，我的研究小組已經演示了一種新的冷卻方法，該方法適用於大多數元素和許多型別的分子。
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我的靈感：詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的維多利亞時代思想實驗。這位偉大的蘇格蘭物理學家提出了“惡魔”的可能性，它似乎能夠違反熱力學規則。
這項新發現的能力將開啟基礎研究的新方向，並帶來廣泛的實際應用。例如，該技術的變體可能導致稀有同位素的純化工藝，這些同位素在醫學和基礎研究中具有重要用途。另一個衍生應用可能是提高用於製造計算機晶片的奈米級製造方法的精度。在科學方面，冷卻原子和分子可能使研究人員能夠探索量子物理學和普通化學之間的無人區，或者揭示物質和反物質之間可能存在的行為差異。而超冷氫及其同位素可以幫助小型實驗室回答傳統上需要大型實驗（例如粒子加速器中的實驗）才能解答的基礎物理學問題。
追逐子彈
停止和操縱原子和分子絕非易事。在一個典型的實驗中，研究人員首先透過加熱固體或用雷射汽化固體來產生某種化學元素的稀薄氣體。然後必須減速氣體，將其限制在真空腔中，並使其遠離腔壁。
我從一個歷史悠久的技巧開始。40多年前，化學家發現，在幾個大氣壓的壓力下，氣體透過小孔逸入真空時，會隨著膨脹而顯著冷卻。值得注意的是，這些“超音速束”幾乎是單能的，這意味著分子的速度都將非常接近平均速度：例如，如果光束以每小時2000英里的速度射出，則其中的分子的速度偏差最多為每小時20英里。相比之下，室溫下空氣分子的平均速度為每小時2000英里，但速度可能在0到每小時4000英里之間的任何位置。從熱力學的角度來看，這意味著光束儘管具有大量的能量，但卻非常冷。這樣想：以每小時2000英里的速度與光束一起移動的觀察者會看到分子移動得如此緩慢，以至於光束的溫度僅比絕對零度高百分之一度！
我意識到，如果我的合作者和我能夠減慢並停止這樣的光束，同時保持速度的微小差異，我們最終可能會得到相當冷的原子團，然後我們可以將其捕獲並進一步冷卻。
為了實現該目標，我的團隊從2004年開始與特拉維夫大學的化學家烏茲·埃文一起研究超音速束。我們的第一次嘗試是製造一個轉子，其葉片邊緣的移動速度為超音速氣體束速度的一半。我們將光束脈衝瞄準轉子後退的葉片，使光束的速度與葉片的速度精確抵消。當氣體原子從轉子反彈時，轉子會帶走它們的所有動能，就像後退的網球拍可以將球停下來一樣。
然而，這種設定難以操作，因為它需要極其精細的調整。德克薩斯大學奧斯汀分校電磁力學中心主任羅伯特·赫布納提出了一種不同的設計：當射彈線上圈炮中快速移動時，使氣體從射彈的背面反彈。線圈炮是一種實驗性武器，它使用磁場而不是火藥將磁化射彈推出槍管。它的工作原理是透過一系列帶有電流的線圈加速子彈，從而產生磁場。子彈本質上是一個條形磁鐵，它被吸引到它正在穿過的線圈的中心。因此，接近的子彈會被吸引力加速。另一方面，一旦子彈穿過中心，力就會開始將其拉回，從而將其速度減慢至原始速度。但是，每個線圈中的電流都會在射彈穿過其中心的那一刻精確地關閉，從而使磁力始終將射彈沿正確的方向（沿槍管向下）推動。
我很快意識到，我們可以應用赫布納的想法，但完全擺脫子彈。相反，我們將對光束本身應用相同的原理，儘管是相反的：線圈炮的線圈在這種情況下將直接作用於氣體分子，使它們靜止。這個技巧之所以可行，是因為大多數原子都具有至少少量磁性，並且當它們的電子處於激發態時，所有原子都具有磁性。許多型別的分子也具有磁性。
我們製造了新裝置，並首先在激發態氖原子上進行了測試，然後在氧分子上進行了測試。我們成功地阻止了這兩種物質。在我們不知情的情況下，蘇黎世由弗雷德里克·默克特領導的一個研究小組獨立開發了相同的想法，並在我們進行自己的實驗的大致同一時間成功地阻止了原子氫。世界各地的幾個研究小組現在已經制造了自己的原子線圈炮，這些裝置最終非常簡單且堅固，基於普通的銅線、現成的電容器和電晶體。
一旦我們成功地以這種方式阻止了原子，將它們捕獲在靜態磁場中就相對簡單了。更困難的問題是找到進一步冷卻它們的方法。雖然 0.01 開爾文（比絕對零度高百分之一度）聽起來很冷，但它仍然遠未達到其他技術達到的極限。我們需要找到一種方法來降低溫度。
單向道路
早在有人想到原子線圈炮之前，我就一直在考慮通用的冷卻方法，但很長一段時間我都沒有看到解決方案。雷射冷卻技術於 1980 年代發明，非常成功，促成了稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的物質狀態的創造，並在 1997 年和 2001 年獲得了兩次諾貝爾物理學獎。但是，雷射冷卻的適用範圍主要限於元素週期表第一列中的原子，例如鈉或鉀，因為這些原子很容易在基態和單個激發態之間切換，這是該技術所要求的。我考慮的另一種方法是蒸發冷卻，它依賴於撇去熱原子，留下較冷的原子（這與汗水從皮膚蒸發時為我們降溫的原理相同）。但是，如果沒有雷射冷卻的幫助，就很難達到足以啟動蒸發的高密度。
2004 年 2 月，我訪問了普林斯頓大學，並與等離子體物理學家納撒尼爾·J·費什進行了交談。他告訴我他剛剛開發的一個想法：如何在等離子體（電子和正離子氣體）中驅動電子電流，其方案使電子向一個方向移動而不是另一個方向移動。我想知道我們是否可以用原子或分子完成類似的事情：構建一個“門”，讓原子在一個方向上透過，而不是另一個方向上透過。
暫且拋開如何實際構建單向門的技術問題，讓我首先解釋一下為什麼這樣的裝置可能有助於冷卻氣體。第一步是在不升高溫度的情況下減少氣體的體積。假設一個門將容器分隔成兩個體積。氣體原子在容器中隨機反彈，遲早會飛向門。如果門只允許它們在一個方向上透過，例如，從左到右，最終所有原子都會集中在容器的右側。至關重要的是，原子的速度在此過程中不會改變，因此氣體的溫度將與其開始時的溫度相同。（從熱力學的角度來看，此過程與將氣體壓縮到體積的右半部分完全不同，後者會加速原子，從而升高溫度。）
第二步是讓氣體膨脹回其原始體積。當氣體膨脹時，其溫度會降低，這就是為什麼噴霧罐在使用過程中會變冷的原因。因此，最終結果將是具有原始體積但溫度較低的氣體。
長期以來困擾物理學家的問題是，這種原子分類門似乎違反了物理定律。在其壓縮狀態下，氣體的熵較低，熵是系統中無序量的度量。但根據熱力學第二定律，在不消耗能量並在其他地方產生更多熵的情況下，不可能降低系統的熵。
自詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在 1871 年提出的思想實驗以來，這個悖論一直是爭議的話題，在該實驗中，“具有靈巧雙手的智慧生物”可以觀察粒子的來來往往，並適當地開啟或關閉門。這種假想的生物被稱為麥克斯韋妖，它似乎違反了熱力學第二定律，因為它可以在消耗可忽略不計的能量的情況下降低氣體的熵。經過多年，在 1929 年，利奧·西拉德解決了這個悖論。他提出，惡魔每次開啟活板門時都會收集資訊。他認為，這些資訊帶有熵，它與氣體熵的減少完全平衡，從而“挽救”了第二定律。（西拉德超前於他的時代：在後來的幾十年中，資訊具有真實物理意義的概念可以說開啟了現代資訊科學。）
所有圍繞麥克斯韋困境的思考，包括西拉德的解決方案，都純粹是推測性的，並且在許多年裡，它似乎註定要保持這種狀態。然而，我的同事和我創造了麥克斯韋思想實驗的第一個物理實現，就像麥克斯韋設想的那樣。（其他最近的實驗已經做了概念上類似的事情，但使用了納米機器而不是氣體門。）我們用它將原子冷卻到低至 1500 萬分之一開爾文的溫度。
正如我們將要看到的，我們製造的裝置闡明瞭麥克斯韋妖如何在實踐中存在，以及為什麼西拉德的洞察力（資訊起著至關重要的作用）是正確的。
我推斷，為了使單向門工作，氣體中的原子必須具有兩種不同的狀態（軌道電子的可能配置），這兩種狀態都具有低能量，因此是穩定的。讓我們將這兩種狀態稱為藍色和紅色。原子懸浮在一個容器中，該容器的中間被雷射束切割。光束被調諧到使紅色原子在接近它時反彈回來的波長，因此它本質上充當封閉的門。最初，所有原子都是藍色的，因此可以暢通無阻地穿過雷射屏障。但是，就在屏障光束的右側，原子受到第二束雷射的照射，這束雷射被調諧為使原子透過散射單個光子從藍色變為紅色。現在，原子變成紅色，受到屏障光束的排斥，因此無法穿過門並返回左側。最終，所有原子都聚集在右側，左側保持為空。
我們在 2008 年初首次用原子銣演示了我們的門。我們將我們的方法稱為單光子冷卻，以區別於早期的雷射冷卻，後者需要許多光子來冷卻每個原子。
與此同時，在我不知情的情況下，西班牙畢爾巴鄂大學的岡薩洛·穆加與他的合作者安德烈亞斯·魯什豪普特（現任德國漢諾威萊布尼茨大學）獨立開發了一個類似的概念。從那時起，穆加、魯什豪普特和我一起研究了該門的一些理論方面。在 2006 年發表的一篇聯合論文中，我們指出，當原子散射一個光子時，光子會帶走關於該原子的資訊——以及一個微小的量子熵。此外，雖然原始光子是有序光子序列（雷射束）的一部分，但散射的光子會向隨機方向射出。因此，光子變得更加無序，我們表明，光熵的相應增加與原子熵的減少完全平衡，因為原子被單向門限制。因此，單光子冷卻作為麥克斯韋妖工作，其意義與利奧·西拉德在 1929 年設想的完全相同。在這種情況下，惡魔特別簡單有效：雷射束透過散射單個光子來誘導不可逆過程。這樣的惡魔當然既不是智慧生物，也不是計算機，也不需要根據來自原子的資訊做出決定。資訊可用並且原則上可以收集就足夠了。
捕獲和冷卻的前沿
對原子和分子運動的控制開闢了科學的新方向。化學家長期以來一直夢想捕獲和冷卻分子，以研究量子狀態下的化學反應。線圈炮適用於任何磁性分子，並且補充了一種使用電力而不是磁力來減慢任何電極化分子的方法。如果分子足夠小，那麼單光子冷卻應該能夠將溫度降低到足夠低的程度，以至於量子現象開始占主導地位。例如，分子變成拉伸波，可以在比通常更大的距離上發生化學反應，並且不需要為普通反應提供能量的動能。幾個研究小組現在正在追求這個方向。
單光子冷卻的另一個主要優點是它適用於氫及其同位素氘（除了原子核中的單個質子外，還帶有一箇中子）和氚（帶有兩個中子）。在 1990 年代後期，麻省理工學院的丹·克萊普納和托馬斯·J·格雷塔克透過英勇的努力，使用低溫方法和蒸發冷卻成功地捕獲和冷卻了氫，但他們從未對其他同位素做過同樣的事情。進一步的進展取決於在相對簡單的裝置中捕獲和冷卻氫同位素的新方法。單光子冷卻非常適合捕獲和冷卻所有三種氫同位素。一個目標是突破超高精度光譜學的當前極限，這是冷原子的另一個重要應用。
捕獲和冷卻氚可能使測量中微子的質量成為可能，中微子是宇宙中已知最豐富的基本粒子，從而更好地理解粒子對宇宙演化的引力效應。氚具有放射性，當其中一箇中子衰變成質子、電子和反中微子（中微子的反物質對應物）時，它會嬗變成氦 3。透過測量作為 β 射線射出的電子的能量，物理學家可以確定隨反中微子一起消失的能量（反中微子會穿過裝置而未被檢測到），從而確定反中微子的質量；物理學家預計中微子的質量與反中微子的質量相同。
相同的方法也適用於捕獲和冷卻反氫，反氫是氫的反物質等效物。反氫是最近才在日內瓦附近的粒子物理實驗室 CERN 建立的，並且極難處理，因為反物質一旦與物質接觸就會消失，變成能量閃光。在這種情況下，超音速束方法不能用作起點。相反，可以透過將反質子發射到正電子雲中來生成反氫束，然後使用我們的麥克斯韋妖將其停止和冷卻。使用反氫進行的實驗將能夠回答一個簡單的問題：反物質的下落方式與物質相同嗎？換句話說，引力對所有質量相同的物體的作用方式是否相同？
原子線圈炮和單光子冷卻的新技術也可能具有重要的實際應用。元素週期表上大多數元素的同位素仍然使用一種稱為卡呂琴的裝置分離，該裝置是歐內斯特·勞倫斯在曼哈頓計劃期間發明的。卡呂琴透過電場分離質量略有不同的同位素，本質上就像一個大型質譜儀。目前唯一活躍的卡呂琴計劃在俄羅斯，效率很低。類似於冷卻中工作的麥克斯韋妖概念可用於分離光束中的同位素，並且比卡呂琴更有效。這種方法可以生產少量同位素，例如鈣 48 或鐿 168，這些同位素與醫學和基礎研究相關，但不會造成核擴散風險，因為它僅適用於分離極少量同位素。
我們正在追求的另一個衍生應用是在奈米尺度上構建結構。與其使用磁場來減慢原子速度，不如讓磁場像透鏡聚焦光一樣聚焦原子束，但解析度僅為一奈米或更好。然後，這些光束可以沉積原子，以建立比光學光刻（計算機晶片製造的黃金標準）現在可能的更小的細節。以這種自下而上的方式（而不是奈米科學中更常見的自上而下的方法）建立奈米結構的能力將開啟一個我稱之為原子科學的新領域。
絕對零度可能仍然像以往一樣遙不可及，但在通往那裡的道路上，仍有許多發現和收穫。