畢志毅

(華東師范大學 物理與材料科學學院 精密光譜科學與技術國家重點實驗室，上海 200062)

物理學是研究物質(zhì)運動一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學科.作為自然科學的帶頭學科，物理學研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運動形式和規(guī)律，因此成為其他自然科學學科的研究基礎.物理學也是當今最精密的一門自然科學學科，其理論結(jié)構(gòu)運用了數(shù)學知識，并以實驗結(jié)果作為檢驗理論正確性的標準.物理學又是一種智能科學，著名物理學家玻恩曾說過：“與其說是因為我發(fā)表的工作里包含了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里包含了一個關于自然現(xiàn)象的科學思想方法基礎”.物理學之所以被人們公認為一門重要的學科，不僅在于它深刻揭示了物質(zhì)世界的客觀規(guī)律，還因為它在學科發(fā)展的過程中形成了一整套獨特而卓有成效的科學思想方法體系，物理學當之無愧地被視為人類智能的結(jié)晶、文明的瑰寶.在人類社會發(fā)展的漫長進程中，物理學所取得的成果極大地豐富了人們對物質(zhì)世界的認識，有力地促進了人類文明的進步,并將繼續(xù)在認識物質(zhì)世界客觀規(guī)律、造福人類社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的進程中發(fā)揮關鍵性的作用.前輩科學家的探索求知精神、創(chuàng)新思維方法、豐碩研究成果及科學價值觀念，將激勵我們在科學求真的道路上不斷努力.本文從多普勒效應的發(fā)現(xiàn)談起，主要敘述其應用價值和科學意義，同時也簡單介紹了華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室的相關研究方向.

1 多普勒效應的發(fā)現(xiàn)

多普勒效應是關于波源和觀察者存在相對運動時，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家、數(shù)學家和天文學家多普勒(Christian Johann Doppler)于1842年偶然發(fā)現(xiàn)的.當時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)當火車由遠而近時汽笛聲調(diào)變尖，而當火車由近而遠時汽笛聲調(diào)變低.他對該現(xiàn)象進行了研究，發(fā)現(xiàn)當聲源相對于觀測者存在運動時，觀測者所聽到的聲音會發(fā)生變化：當聲源遠離觀測者時，聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉；當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調(diào)變高.當觀察者相對波源移動時也能得到同樣的結(jié)論.音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關，后人把該物理效應稱為“多普勒效應”， 由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度成正比.

多普勒當時的研究范圍包括了光學、電磁學和天文學，他設計和改良了很多實驗儀器，為后來的科學新發(fā)現(xiàn)提供了有價值的線索.而在多普勒效應發(fā)現(xiàn)之后的100多年間，物理學的研究成果已成為現(xiàn)代技術革命的先導，后人采用該物理效應在許多重要科學與技術研發(fā)領域取得創(chuàng)新成果，并造福于人類社會.

2 多普勒效應產(chǎn)生的原理

由波源發(fā)出的波在介質(zhì)中傳輸時，每完成1次全振動，向外發(fā)出1個波長的波.頻率為單位時間內(nèi)完成的全振動的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個數(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，即單位時間接收到的完全波的個數(shù)決定的.當波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率會改變． 在單位時間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到的頻率增大． 同理，當觀察者遠離波源，觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波個數(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的關系為

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

3 多普勒效應在各領域中的應用

3.1 多普勒效應在雷達中的應用

多普勒效應的早期應用主要是基于波源與觀察者間的相對運動導致的頻移實現(xiàn)對目標運動狀態(tài)的測量.雷達的發(fā)明始于20世紀前期，它根據(jù)目標物體對電磁波的反射來測定目標的空間位置，雷達技術在第二次世界大戰(zhàn)中獲得發(fā)展，投入作戰(zhàn)使用并發(fā)揮了重要作用.由于雷達探測是基于波的傳播，對運動物體具有多普勒效應，雷達可根據(jù)自身和目標之間有相對運動產(chǎn)生的多普勒效應測量物體運動速度.50年代應用多普勒頻移探測技術后，現(xiàn)代雷達探測可以通過回波時間及多普勒頻移獲得目標的空間位置及運動速度等信息.在道路交通管理系統(tǒng)中，測速雷達向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波或激光，同時測量反射波的頻率，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系，因此基于多普勒效應的測量技術具有很高的測量精度并獲得廣泛的應用.在科學技術高度發(fā)展的今天，雷達已廣泛應用于社會經(jīng)濟發(fā)展(如氣象預報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等)及科學研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)領域.星載和機載合成孔徑雷達已經(jīng)成為當今遙感中十分重要的傳感器.以地面為目標的雷達可以探測地面的精確形狀.其空間分辨率可達幾m到幾十m，且與距離無關.雷達在氣象預報、海冰監(jiān)測、森林資源清查、地質(zhì)調(diào)查等方面也展顯出了很好的應用潛力.目前正在發(fā)展中的自動駕駛汽車綜合依靠人工智能、視覺計算、雷達監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，其中多普勒雷達系統(tǒng)通過持續(xù)實時感測提供周圍道路交通狀況及車輛間距離等信息，實現(xiàn)在無人主動操作條件下自動安全地操控車輛安全行駛.

3．2 多普勒效應在超聲檢測中的應用

超聲波檢測屬于無損檢測，是在不損壞被檢測對象前提下對被測對象的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行觀測的一種檢測手段，可為工業(yè)質(zhì)檢及現(xiàn)代醫(yī)學診斷提供重要的信息.早期的醫(yī)學超聲波檢測根據(jù)人體組織對超聲波的反射與吸收得到人體組織結(jié)構(gòu)二維圖像，實現(xiàn)了非創(chuàng)傷無痛檢測.由于人體血管內(nèi)的血液是流動的液體，超聲波振源與相對運動的血液間就會產(chǎn)生多普勒效應，使回聲的頻率發(fā)生改變(即頻移)，將多普勒效應引入超聲波醫(yī)學診斷后，多普勒超聲檢測既可以提供二維超聲結(jié)構(gòu)圖像，同時又提供了血流動力學的信息，對諸如心血管、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 多普勒效應在天體物理學中的應用

現(xiàn)代天文學家對天體的觀察研究已不再局限于傳統(tǒng)的光學天文望遠鏡，而是發(fā)展到憑借射電望遠鏡、星載望遠鏡等來觀測遙遠星體發(fā)射的光譜及其頻率變化，依此計算星體與地球的相對運動速度，研究宇宙的起源與發(fā)展.美國天文學家哈勃 (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.哈勃發(fā)現(xiàn)遠離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，基于多普勒效應及光譜的紅移現(xiàn)象，表明這些天體在遠離銀河系，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.因為暗能量，宇宙之外可能有很多的宇宙.了解暗物質(zhì)和暗能量是21世紀科學史的一大挑戰(zhàn).

3．4 多普勒效應在光譜學中的“應用”

物理學的許多研究成果具有重要的科學意義，極大地提高了人類探索自然規(guī)律的能力.在多普勒效應發(fā)現(xiàn)之后的100多年間，人們認識到這一理論不僅適用于聲學和光學，在電磁波等研究領域也有廣泛的用途.當今，物理學已從經(jīng)典發(fā)展到了量子范疇，與物理學相關的學科及應用技術的發(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基本原理，有趣的是，根據(jù)研究對象與目的不同，其中有些是要利用多普勒效應(如天體物理學)，而另一些是需要克服多普勒效應產(chǎn)生的不利影響(如光譜學).

光譜學是通過光與物質(zhì)相互作用過程研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與特性的學科，看似復雜無序的光譜線，其實具有內(nèi)在規(guī)律與特征，對應原子能級結(jié)構(gòu)與躍遷規(guī)律.對物理世界的永無止境的探索及應用需求是推動光譜學發(fā)展的主要動力.自20世紀60年代激光發(fā)明以來，由于激光具有的高相干性等特點，由新光源而引發(fā)的光譜學新原理、新技術并導致一系列新發(fā)現(xiàn)，在光譜學研究產(chǎn)生了深刻的革命.光譜學家一直在探索實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度、高精度激光光譜的方法，這對于研究光與物質(zhì)相互作用機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)淹沒的光譜細節(jié)揭示出來.回顧歷史，通過提高光譜分辨率，科學家觀測到由電子自旋導致的原子光譜精細結(jié)構(gòu)，由核自旋導致的原子光譜超精細結(jié)構(gòu)，由外磁場作用產(chǎn)生的塞曼能級分裂及由外電場作用產(chǎn)生的斯塔克能級分裂，由量子電動力學效應導致的拉姆位移，由此揭示了物質(zhì)內(nèi)部新的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象.物理學研究中許多進展與新的成果都得益于前所未有的測量精度，這在原子光譜研究中尤其如此.

在高光譜分辨率的研究中，科學家們認識到由于原子/分子存在的熱運動速度，當它們與光(視作多普勒效應中的波源)相互作用時，不同運動速度的原子/分子(視作多普勒效應中的觀察者)感受到光的頻率/波長不同，使超出能級躍遷頻率范圍的原子/分子也會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，導致光譜線變寬，分辨率降低.即使對于具有高度相干性的激光光源而言，多普勒效應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上克服由此產(chǎn)生的光譜線多普勒加寬并實現(xiàn)高分辨率光譜檢測，是當時光譜研究者丞待解決的問題與探索的方向.

美國激光光譜學家阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)于20世紀60年代在斯坦福大學建立了激光光譜學研究中心，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，1976年，他創(chuàng)立了高分辨激光光譜學學科.為此，美國光學學會授予他該學會的最高榮譽——弗雷達里克·艾伍茲勛章，以表彰他在激光研究方面的杰出貢獻.他針對原子光譜中由于原子熱運動產(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，提出了多種創(chuàng)新的、基于不同機理的光譜學檢測方法，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節(jié)得以展現(xiàn)，有效地克服了多普勒增寬.

1978年，肖洛領導的研究小組用他自己發(fā)明的偏振光譜法測量氫光譜，得到了里德堡常量.這種方法解決了光譜測量中因原子熱運動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學做出的重大貢獻獲得諾貝爾物理學獎[1].當有人問他取得一個又一個巨大成就的“奧秘”時，他笑了笑說：“決不重復自己做過的工作，決不重復別人做過的工作.”

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(較強的飽和光束和較弱的探測光束)同時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的飽和光束和較弱的探測光束，以相反的方向通過氣體樣品池.用斬波器調(diào)制飽和光束，當飽和光束和原子作用時，由于光束非常強，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)，這時另一路光束(探測光束)通過氣體樣品探測到飽和光燒孔形成的凹陷并到達探測器.這里有一個條件：2束光必須是和同一群原子發(fā)生相互作用時才會出現(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，因為這些原子對于相向而行的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于相向而行的2束光的多普勒頻移不同，因此無法同時和相向而行的2束光作用，導致探測光無法探測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)諧激光波長時，通過鎖定放大器接收到相應的光譜.這樣飽和吸收光譜就把對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個數(shù)量級.

圖2 用飽和吸收光譜法測出的氫譜線Hα

另一種無多普勒光譜學方法是雙光子吸收光譜[2]，它基于原子從來自2個反向傳輸?shù)墓馐懈魑?個頻率相同的光子并實現(xiàn)能級躍遷，由于原子與2個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對無多普勒增寬譜線作貢獻，有效地消除了多普勒效應引起的譜線增寬.這里體現(xiàn)了實驗設計中的補償法，在基礎物理實驗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 多普勒效應在激光冷卻與囚禁中的應用

隨著現(xiàn)代科學與技術的發(fā)展，多普勒效應體現(xiàn)的科學價值并沒有消失，在21世紀的今天仍具有重要的科學意義與應用價值.20世紀末發(fā)展起來的激光冷卻與囚禁為研究原子分子相互作用機理及開展精密光譜的應用研究提供了更好的方法.根據(jù)物理學基本原理，原子/分子的熱運動速度與其溫度相對應，常溫下原子的熱運動速度可達4 000 km/h，在-270 ℃時約為400 km/h，即使在如此低溫條件下，原子間熱運動引起的碰撞作用相當于縮短了激發(fā)態(tài)的平均壽命，從而使能級進一步加寬，這對赫茲量級超窄光譜線的增寬會產(chǎn)生顯著作用.

早在20世紀初，人們就注意到光對原子有輻射壓力(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)展了利用光壓改變原子速度并實現(xiàn)激光冷卻的技術.1975年，斯坦福大學漢斯(T.W.H?nsch)和肖洛等科學家對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動以獲得超低溫的原子.原子束激光減速是利用輻射場散射力操控原子運動的簡單實例，其原理是利用負失諧的激光束從與原子束行進反向的方向照射原子束，光對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，則在6束激光交匯處的原子會受到三維阻尼力的作用，在3個方向上得到減速，使其動能降低，從而實現(xiàn)冷卻.然而看似簡單的方法在具體實現(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物理學原理[4]，概括起來主要有光的多普勒效應、原子能級量子化、光具有動量等，而其中多普勒效應的作用又成為基本的研究內(nèi)容，由于運動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)補償多普勒頻移以維持有效減速.科學家們發(fā)現(xiàn)，當原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的1對激光束中運動時，由于多普勒效應，原子傾向于吸收與原子運動方向相反的光子(因為這種光子對原子來講其頻率要比光子的實際頻率稍高，正好匹配原子躍遷能級差)，而對與其相同方向行進的光子吸收概率較?。晃蘸蟮墓庾訉⒏飨蛲缘刈园l(fā)輻射，根據(jù)動量守恒，原子凈吸收與它反向運動的光子，于是總動量下降了，也就是速度下降了.平均地看來，2束激光的凈作用是產(chǎn)生與原子運動方向相反的阻尼力，從而使原子的運動減緩(即冷卻下來).設想，如果當原子在頻率略高于原子躍遷能級差且相向傳播的1對激光束中運動時，則原子將會凈吸收與它同向運動的光子，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致了結(jié)果的反轉(zhuǎn)，前者是有利于我們想要達到的效果，而后者卻是不利的結(jié)果.這對于實驗設計來說是至關重要的.

1985年美國國家標準與技術研究院(NIST)的菲利浦斯(Willam D.Phillips)和斯坦福大學的朱棣文(Steven Chu)首先實現(xiàn)了激光冷卻原子的實驗，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“光學秥團”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”，這是利用電磁場形成的“勢能坑”，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).這種阱中心的磁場為零，向四周磁場不斷增強.陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時勢能最低.偏離中心時就會受到不均勻磁場的作用力而返回.1997年，物理學家朱棣文等人的研究工作取得了突破性進展，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年諾貝爾物理學獎[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”，前者由法國巴黎高等師范學院的柯亨-達諾基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱棣文提出，他們利用這種技術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)展了磁場和激光相結(jié)合的一系列冷卻技術，其中包括偏振梯度冷卻、磁感應冷卻等.早期研究激光冷卻與囚禁技術的主要目的是為了精確測量各種原子參量，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(原子鐘).在此成果基礎上，之后E.A.Cornell, W.Ketterle, C.E.Wieman 3位科學家以基本相同的實驗技術得到了最低為40 μK的溫度，最使物理學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年預言的，但長期未被觀察到.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)，它實現(xiàn)的條件是粒子的德布羅意波長大于粒子的間距.在被激光冷卻的極低溫度下，原子的動量很小，因而德布羅意波長較大.同時，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，因而可能達到凝聚的條件.1995 年實驗觀察到了2×103個銣原子在170 nK溫度下和5×105個鈉原子在 2 μK 溫度下的玻色-愛因斯坦凝聚，該項科學研究成果被評為是20世紀物理學最偉大的成果之一，3人因此獲得了2001年諾貝爾物理學獎[6].

激光冷卻和原子捕陷的研究對基礎科學研究具有很重要的意義，如：原子光學、原子刻蝕、光學晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎研究等.激光冷卻在高新技術上有許多重要應用，例如，由于原子的熱運動幾乎已消除，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間緩慢變化；驗證廣義相對論和量子電動力學；開展重大物理問題的科學研究；發(fā)展新一代時間/頻率標準(“秒”的新定義)、全球定位系統(tǒng)與精確制導，滿足國家的重大戰(zhàn)略需求，等等.

華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室長期從事高靈敏、高分辨、高精密光譜研究，發(fā)展了多種無多普勒光譜技術，并在原子分子精密光譜基礎研究及包括激光精密控制、光學頻率精密測量等應用基礎研究中取得了具有科學意義和潛在應用價值的研究成果，特別是在冷原子精密光譜、光學頻率精密控制與精密測量、冷原子光鐘等前沿研究領域做出了創(chuàng)新性的成果，曾先后獲得上海市科技成果獎和國家自然科學獎.

4 結(jié)束語

縱觀現(xiàn)代科學與技術發(fā)展過程，從多普勒效應的發(fā)現(xiàn)及其科學意義與應用價值給了我們重要的啟示：物理學基礎研究具有深遠的科學意義，它對學科發(fā)展的作用及技術開發(fā)與應用的價值是在相當長的歷史進程中逐漸體現(xiàn)出來的，對此的認識要有科學的遠見與創(chuàng)新意識.科學與技術的創(chuàng)新是社會發(fā)展的動力，科學研究不斷探索新的未知領域，促進人類認識自然界客觀規(guī)律，發(fā)展科學新技術并造福于人類社會.在科學研究的歷史過程中,人們形成了追求真理、勇于創(chuàng)新的科學精神，這種科學精神隨著科學技術的進步，對整個社會精神面貌和人們的道德觀念都發(fā)生了深刻影響，大大推進了人類社會精神文明的發(fā)展進程.