人类已经耗费了100多年的时间，试图达到绝对零度，尽管还没有到达目的地，但这段神奇的旅途已经为人类提供了很多绝美的“风景”，促使科学家们做出了很多重要的研究发现，其中最著名的当属大型强子对撞机（LHC）内使用的超导体；以及有望成为量子计算机的量子比特的马约拉纳费米子等。这或许是一段永无止境的追寻。

　　据英国《新科学家》杂志网站6月25日报道，到达绝对零度是一个令人想来就会心生胆怯的目标，一百多年来，人们上下求索，但从未到达，不过，这绝非一场堂吉诃德般徒劳无功的探索，而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一样，是一场处处有惊喜的奇幻之旅，这段探索之旅催生了很多科学奇迹，是自然馈赠给人类的“意外之礼”。

　　绝对零度：诺贝尔奖催化剂

　　我们很小的时候，就开始与温度打交道。父母们总是会不厌其烦地确保孩子房间里温暖如春；洗澡水的温度“刚刚好”；而有些东西则“太烫了，不能碰”。

　　随着我们慢慢长大，我们开始用数值来表示对温度的感觉。我们知道，水到了零度就会结成冰；气温20摄氏度左右，会让我们感觉凉爽宜人；人体处于37摄氏度时最舒服自在。随着我们对温度的认识不断强化和深入，在某个节点上，或许是在上学时，我们同另一个远离日常生活的温度——绝对零度狭路相逢。

　　绝对零度就是开尔文温标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15度。绝对零度是冷的极致，是一种理想的无法达到的完美冰冷状态，就如瑞典著名儿童文学女作家、国际安徒生奖获得者阿斯特丽德·林格伦在其名著《米欧，我的米欧》中描述的浪漫且神秘的“遥远之国”一样，是一个人类会无限接近，但永远也无法到达的“美丽新世界”。

　　但即便如此，自从这一概念于十九世纪中叶首次出现以来，很多人终其一生的努力目标就是离它更近一点。这看起来是一场堂吉诃德式（崇高但无实际意义）的追寻，但实际情况并非如此。

　　今年是首个与绝对零度有关的诺贝尔物理学奖被授予100周年，自此，绝对零度就像诺贝尔奖的催化剂一样—科学家们在追寻绝对零度的过程中，做出的很多美丽的意外发现多次摘得诺贝尔奖的桂冠。例如，华裔物理学家朱棣文曾因发明了激光冷却和磁阱技术制冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。2001年的诺贝尔物理学奖由因发现了“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”这一新的物质状态的德国科学家沃尔夫冈·克特勒摘得等等，不一而足。

　　在迈向绝对零度的过程中取得的每个进步，都展示出了一些别样的、独一无二的美丽和有序；催生出一批工程上的奇迹；强化了我们对一些基本科学概念的理解，尤其是对温度和物质概念本身的理解。

　　绝对温度之下：万籁俱寂

　　对温度的熟视无睹会使我们很容易忽略这一概念常常会给我们带来多大的惊喜。早期的自然哲学家，比如意大利物理学家、天文学家、哲学家、近代实验科学的先驱者伽利略·伽利雷，英国物理学家、数学家、天文学家艾萨克·牛顿，英国化学家罗伯特·波义耳将热看成是名为热质（caloric）的液体，这一说法的影响可谓十分深远——直到今天，我们仍然说热“流”。而另外一些哲学家则认为，冷是由一些“致冷原子”造成的。以前，人们希望能可靠地测量热和温度的诸多尝试大多以失败告终。早期最有用的温度计依靠液体受热会膨胀的原理来工作。少量液体被局限在一个玻璃灯泡或狭窄的玻璃管内，人们首先将两种固定情况下（比如暴露在沸水或正在融化的冰中），液面所在的位置标示出来，未知的温度（热度）则用这两个固定点之间某个刻度来表示。问题在于，这一测量方法会导致“第22条军规”的出现：温度计标示刻度的前提是，液体在不同的温度下，都以同样的方式膨胀，但如果不测量液体随温度的膨胀情况，就无法对这一假设的真伪进行验证，而要进行这种测量，就必须要有一支温度计。

　　这种情况直到19世纪40年代才发生改变。法国化学家、物理学家亨利·维克托·勒尼奥进行了一个精巧的实验，他用一支温度计对一个密闭容器内干燥气体在压力下的变化进行了测量，从而建立了一套可靠的可重复性的温度读数。对于科学界和工业界来说，这不啻为一个福音，但是，这仍然没有真正解释清楚，我们究竟在测量什么。

　　早期人们使用多种刻度来标注温度，关于温度的这种困惑由此可见一斑。有些标记直到今天我们仍然在使用，比如使用水的不同属性来校准温度的摄氏度和华氏度。

　　摄氏度是目前使用比较广泛的一种温标，它由18世纪瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出。摄尔修斯把一个大气压下水的沸点定为零度，冰点定为一百度，其间分成一百等分，一等分为一度。但在使用中，人们感到很不方便，因此，摄尔维斯第二年把该温度表的刻度值颠倒过来使用。又隔两年，瑞典著名博物学家林耐也使用了这种把刻度颠倒过来的温度表。这种温度表仍然称为摄氏温标（又叫百分温标）。后人为了纪念安德斯·摄尔修斯，用他的名字第一个字母“C”来表示。

　　华氏度是以其发明者德国人加布里埃尔·华伦海特的名字来命名的。1714年，华伦海特发现，液体金属水银比酒精更适宜制造温度计，因此，他以水银为测温介质，发明了玻璃水银温度计，并选取氯化铵和冰水混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，他把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。

　　历史的车轮行进到19世纪晚期，英国物理学家威廉·汤姆森，也就是后来的开尔文勋爵首先想到，我们或许可以使用一套不依赖任何物质属性的绝对温度标记来测量温度。开尔文勋爵建立的新温度标度称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文（K）。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度相当于摄氏零下273度（精确数为-273.15℃），被称为绝对零度。

　　但是，开尔文勋爵开出的这个“秘方”只适用于理想气体，因此，在热力学形成后，人们发现绝对温标有更深刻的物理意义，特别是开尔文论证了绝对零度不可达到后，科学家们便将绝对温标改称为热力学温度（温标），并用开尔文（Kelvin）第一个字母K为其单位。

　　曾几何时，那些伟大的名垂青史的科学先驱们竟然不理解万事万物都由原子组成，这真让人难以想象，但这的确是事实。只有理解了万事万物都由原子组成这一点，温度的本质才水落石出。热是原子运动产生的动能，温度是对原子运动速度的衡量，更精确来说，温度测量的是分子平均运动速度的平方。在日常生活中，当我们感受到某个物质的温度时，就学院派的观点而言，我们正在感觉的是物质的“躁动”。一旦我们接受物体中的分子在不断抖动这一观念，绝对零度的定义也就呼之欲出：它就是让原子完全静止的温度。接下来的问题是：在什么温度下会发生这种情况呢？#p#分页标题#e#

　　线索来自那些行家里手。17世纪，法国的一位乐器制造者纪尧姆·阿蒙东发现，将密封在瓶中的一定体积的空气温度降低，瓶中的气压也会随之降低。他由此推断温度降得越低，气压就会越小，最终会在某个温度下完全消失—我们现在认为，这一温度大约为零下300摄氏度。后来，随着人们对理想气体的温度和压力的测量日益精确，人们发现，这一数值并不算太离谱。现在，绝对零度被定义为开尔文温标下的零点，大约为-273.15摄氏度。

　　追寻绝对零度：永不落幕的故事

　　一旦我们厘清了绝对温度真正的含义，到达绝对零度的马拉松比赛的发令枪就真正打响了，那时是19世纪晚期。正如差不多同时上演的、前往地球上人烟罕至的南北两极的竞赛一样，这也是前往未知的旅程。所不同的是，后者胜负已分，而对绝对零度的追寻将永不落幕。

　　为什么这么说呢？为了理解这一点，我们不妨想象一下冰箱的工作原理。冰箱的内壁会与更冷的物质（一般是一些不断循环的制冷剂）接触，这样，热量就不断从冰箱内流入制冷剂，从而给冰箱内的物体降温。同理，如果想要热从你想要让其达到绝对零度的物体那儿流出，那么，制冷剂的温度就必须低于绝对零度，但这是一项不可能完成的任务：你无法让分子运动得比静止还慢。你最多只能希望，它们尽可能接近静止而已。

　　冰箱内的制冷剂通过膨胀来给冰箱降温，在这一过程中，冰箱内的压力会降低，因此，分子运动的平均速度会减少。最开始，人们也曾用同样的技术来获得更低的温度。科学家们让一种又一种气体在压力下冷却，然后再让它们快速膨胀，使气体的温度一次比一次低，科学家们甚至也会让气体凝聚，从气态变成液态。

　　在这样日复一日气体温度不断降低的过程中，日历翻到了19世纪70年代末，法国人路易斯·保罗·卡耶泰用让气体不断膨胀的方法在零下183℃得到了液态氧，接着，在零下196℃得到了液态氮。但是，在他的时代，没有人会预想到这两种物质在20世纪会变得如此“遍地开花”。要是让当时的人们对这两种物质的用途进行预测，“消疣除痣”和“瞬间制冰淇淋”绝不可能榜上有名。

　　随后，1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦在零下250℃得到了液态氢之后，就只剩下氦气还未被征服了。氦原子之间的相互作用力非常微弱，这就使它成为最难被凝聚的气体。但不管怎样，让氦原子最终变成液体的无数努力和天才设想最终还是有了回报：1908年7月10日，荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯实现了4.2K的低温，首次获得了几立方厘米液态氦。超低温下的美丽新世界

　　液氦成为通向全新的物理世界的一把钥匙。就在获得液氦之后不久，昂内斯就发现，在极低的温度下，有些金属会变身为超导体。冷却到特定的临界温度之下，这些金属的电阻会陡然下降至少15个数量级，几乎与零无异。诺贝尔奖委员会没花多长时间就认识到了昂内斯工作的重要性，1913年，将诺贝尔奖授予了他。尽管超导技术迄今还没有像人们曾经希望的那样随处可见，但是，它已经出现在了核磁共振成像仪的磁铁里；位于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机（LHC）中的功能超强的磁铁里也有它的“倩影”，正是借助这一磁铁的威力，科学家们才能将质子束约束在LHC的环形轨道中。

　　然而，最让人惊叹的低温现象或许还不是超导，而是在液氦诞生的那天，发生在昂内斯眼前的那一幕。透过密封隔离的玻璃容器内的小缝隙，他窥见几乎完全透明的液体在翻滚。本来，将液面上的液氦蒸汽从容器中吸出，可以将运行速度最快的液氦分子移出容器，从而进一步给液氦降温，但实际情况却是液氦反而沸腾得更加剧烈了。

　　但接下来，当温度降低到一定程度（我们现在知道是2.17K）时，翻滚的气泡突然停止了翻滚，液氦变得如死一般安静。数年之后，答案才揭晓。原来，部分液氦突然进入到了一个全新的状态：超流体，这是一种可以完全无阻碍地流动且能完美导热的状态。不管何时，只要部分液氦变得更热并开始形成气泡，超流体都会在气泡形成之前将热带走。

　　超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体，即流体内部完全没有粘滞。超流体和超导体都是超低温现象，但超流体所需的温度比超导还低。

　　超流体其中一个重要的应用是稀释致冷机。超流氦-4也已成功用作化学领域光谱分析技术的量子溶剂。超流体亦用于高精度仪器，如陀螺仪；它还可以量度一些理论预测的引力效应。另外，2002年，德国科学家实现，铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换，科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。

　　而且，美国麻省理工学院的物理学家在剑桥发现一种新物质态：超流气体。这种物质是50nK（纳开，十亿分之一开尔文）的锂-6。此外，2004年，美国宾州州立大学的物理学家发现了超固体，当氦-4在高压冷冻到2K以下，超流体便相变成超固体。它亦可以零粘度流动。

　　更令人惊异的发现接踵而至。氦原子通常包含有两个中子、两个质子，因此，最常见的氦原子一般为氦-4，然而，还有一种比氦-4罕见数千倍的同位素氦-3，其只有一个中子。这些更轻的氦-3中子会在3.2K而非4.2K凝结，而且，一旦被液化，两者的行为迥然不同，例如，氦-3的黏性不仅没有减弱，反而会变得更强。

　　谁能想到，仅仅一个中子之差就会让一种液体的物理属性发生如此巨大的变化？但它们并非罕见的现象，而是在我们的生活中随处可见，只不过我们的肉眼凡胎，没有意识到普通物质本身是多么令人惊奇而已。“幕后黑手”：量子力学

　　这些貌似怪异的行为背后存在着一个普遍的真理，那就是，我们所身处的世界是一个由量子力学所支配的世界。只有当低温让这些随机波动减少之后，这一点才水落石出。例如，我们看到，氦原子之间的相互作用如此微弱，导致量子机制让这些氦原子不用麻烦地四处“跳来跳去”就可以交换位置。这种量子交换使这两种氦能在能达到的最低温度下保持液态。实际上，计算表明，在标准大气压下，氦即使在绝对零度下也会保持液态。

　　了解量子现象正是人们继续追寻绝对零度的理由之一。氦-3和氦-4在液态下的不同属性成为我们继续探索的垫脚石。在名为稀释制冷机的设备内，氦-4的超流态会让液态氦-3表现得像气体一样，有效地蒸发进氦-4组成的“真空”内，从而使整个装置的温度下降到0.001K，也就是1毫开尔文（mK）。在这一温度下，氦-3本身也变成了超流体，但其拥有磁性。

　　如果冷却到0.001K算很困难，那么，继续朝下冷却则“难于上青天”。所有物质的导热率都会随着温度的下降而陡降，这意味着，温度越低，将热量从某种物质中移走需要更长的时间。与此同时，在低温下，所有物质的热容量（单位质量该物质吸收或放出热量引起温度升高或降低时，温度每升高1K所吸收的热量或每降低1K所放出的热量）会变得微乎其微，因此，任何用来研究物质的实验都需要将该物质加热。假如像一只蝴蝶那样轻的一个物体从10厘米高的地方落下，落在一块1平方厘米、温度为0.001K的铜上，撞击产生的能量足以让铜块的温度上升100倍。#p#分页标题#e#

　　还好我们有一些变通的方法，至少对少量的物质能起作用。对于那些只包含数十亿个原子的气团，我们可以采用逐个冷却的办法。激光光子会同每个原子相互撞击，带走动能并让原子的速度慢慢降下来。这种方法的原理仍然是使用一种物体带走另一种物体的热量，只不过现在使用的制冷剂更复杂一些而已。使用这一方法，我们能将原子的运动速度从1毫开尔文时的1米/秒降低到1nK时的1毫米/秒。

　　这一奇思妙想给我们的回报是，我们能排除混乱的热力学干扰，探究在量子力学的支配下物质的“一举一动”。我们知道，从本质上来说，超导是一种量子现象，但是，在花费了数十亿美元之后，我们仍然对某些超导体在130K以上温度下的行为一无所知。通过制造出一些可控性更好的量子系统，我们就可以使用一团超冷的原子气团，通过使用激光脉冲来探索和刺激原子之间的相互作用，来调查这种现象。

　　我们还能用无与伦比的超冷物质的纯量子支配环境来模拟中子星内部的极端环境、基本粒子之间的相互作用以及宇宙诞生伊始的相变。在低温下，电子之间的相互作用会制造出元激发（有时候我们也将其称为准粒子），其质量可达自由电子质量的数千倍，刚好同在自由空间内通过与希格斯场相互作用从而获得质量的基本粒子的质量相当。同样的，超导体内的准粒子元激发最近被证明其行为类似于马约拉纳费米子。科学家们很早就预言了马约拉纳费米子的存在，其反粒子就是自己本身。

　　此刻，我们还看不到这些实验获得的结果有何直接用途。但是，有了上个世纪的前车之鉴，我们最好还是不要妄下断言。

　　据英国《自然》杂志网站2012年2月28日报道，荷兰代尔夫特理工大学的科学家李·考文霍夫在美国物理学会于当天举办的年度大会上发表演讲时表示，他们或许已制造出了神秘莫测的马约拉纳费米子，这一粒子有望在让传统计算机相形见绌的量子计算中用来形成稳定的比特。如果研究结果获得证实，那将是物理学领域的重大突破。强大的量子计算机的实现，或许有赖于我们对低温下物质复杂性质的掌握。

　　尽管此前已有其他团队报告过马约拉纳费米子在固体物质中“现身”的间接证据，但哈佛大学的物理学家杰·叟听了考文霍夫的演讲后表示，这是一个直接的测量，叟说：“我认为这是迄今最富成效的实验，很难认为这不是马约拉纳费米子。不过，考文霍夫制造出的这些粒子是否足够‘长寿’用来做量子比特还有待进一步的研究。”如果最新研究结果经得起检验，将不仅率先制造出马约拉纳费米子，更是固体物理学领域的重大进步。人们认为，至今还没有被直接观测到的中性微子可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，其可能是一种马约拉纳费米子。

　　尽管昂内丝已经将我们带到了4.2k，但100年过去了，我们仍然在攻克绝对零度的最后一个堡垒，结果似乎有点差强人意。不过，我们不应该只盯着温度不放，而是应该看到1K和1毫k之间、1毫K和1微K之间、1微K和1纳K之间数千倍的差别会产生什么后果。

　　其实，科学家们每次获得更低的温度，都像是在为自然界这所大房子消除噪音，让我们能更安静地聆听自然的低语。如果我们继续冷却下去，我们能在一个更加精微的新尺度上探索原子间的相互作用。即使到了1纳K，距离底部仍然有很大的空间，随后，我们会降到皮K（pK，10-12K），飞K（fK，10-15K），直至无穷。而此前曲折离奇的经验提醒我们，接下来会发生什么，无人知道。

　　背后故事：

　　1、朱棣文与“激光冷却原子”

　　瑞典皇家科学院宣布，将1997年的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学华裔教授朱棣文博士和美法的另外两位科学家，以表彰他们找到了用激光冷却和捕捉原子的新方法——这一方法是朱棣文博士首先发现的，他用激光将气体的温度降到百万分之一度，使冷却的原子保持漂移，并被各种“原子陷阱”捕捉。捕捉到的原子越来越多，就会逐渐形成一种稀薄气体，其性质也就可以得到详细研究——这是物理学理论研究的一项重大突破，极大地加深了人们对低温气体的量子物理状态的理解。

　　制服原子 造福人类

　　1997年10月15日凌晨，睡梦中的朱棣文被一阵急促的电话铃声惊醒，他的研究生率先向他报告了获奖的消息。超初，朱棣文还以为是学生跟他开玩笑，随后，一个又一个探询和祝贺的电话不断打进来，朱棣文这才确信：“我是真得奖了。”

　　从事科学研究需要非凡的耐力和冷静，对于朱棣文来说更是如此，因为他所从事的事业最讲究“冷”和“静”。记得中学上物理课时，曾做过有名的布朗实验：把几颗花粉浸入静止的水中，花粉粒并不会马上下沉，而是在水中作不规则的运动，这表明水分子本身在不规则地扰动。气体原子或分子和液体分子一样，也是时刻乱窜，而且活动范围大得多，速度也快得多，大约在1千米/秒到10千米/秒之间。所以要在室温下测量气体原子的有些物理特性是很困难的。如何让气体原子慢下来？最直观的结论是降温。要使气体原子速度降到足够低，温度必须降到绝对零度（－273摄氏度）附近，这时，几乎所有的气体都将凝成液体甚至冰晶。为了解决这一难题，朱棣文于1985年首次发明了“激光致冷捕捉”技术——用6束激光分别在上下、左右、前后方向上轰击气体，将气体原子束缚在一个很小的区域内，因而达到降低其速度的效果。气体原子的速度降低了，温度也就相应下降。就这样，朱棣文和其他一些科学家在微观世界里创造了一个异常“冷静”的角落——原子变得非常听话。

　　众所周知，世界上的物质都在空间不停地运动着，只是各自的运动速度不同而已。例如，原子是组成单质和化合物分子的微粒，它在空间的运动速度可达每秒500米、每小时1800公里左右。长期以来，由于原子有着如此快的运动速度，科学家一直难以对其进行更深入的观察和研究。为了准确地研究原子及其内部结构，物理学家们梦寐以求的是将原子运动的速度放慢直至相对静止的状态。1975年，美国斯坦福大学的肖洛和汉斯等物理学家提出一个设想，将激光的光子动量传递给原子，形成辐射压力，使原子的温度降低，以阻止原子的热运动。80年代初，做了几年博士后的朱棣文打算将此富有重大意义的研究进行下去。他设想用6个方向的激光束对原子进行照射，来达到冷却原子、减慢原子运动速度的目的。在分子物理学中，研究气体的原子与分子相当困难，因为它们即使在室温下，也会以上百公里的速度朝四面八方移动，惟一可行的方法是冷却。然而，一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等3位学者则利用激光达到冷却气体的效果，即用激光束达到万分之一绝对温度，等于非常接受绝对零度（零下273摄氏度）。原子一旦陷入其中，速度将变得非常缓慢，因而容易俘获，人们也就有足够长的时间来观察和研究原子的状态。 

　　朱棣文开始做实验是1984年，当时他是AT&T贝尔实验室的量子电子技术部主任。1985年他取得了突破——用激光照射原子从而使其减速。原子对不同的光有不同的反应，朱棣文将激光微调到比共振稍低的频率，从6个方向撞击原子，使快速运动的原子在撞击下产生“多普勒效应”。原子吸收光，被光撞击后就被弹回去。这样，原子运动的速度就下降到每小时1/10公里。朱棣文说：“此时的原子仿佛掉进了一个光子海中，它无论向哪个方向运动，都会受到巨大的阻力。”他形象而实在地将由激光束形成的这种用来冷却原子的介质称为“光学粘胶”。朱棣文和他的同事们还成功地设计了第一个原子陷阱，使冷却的原子不受重力的影响而下沉。

　　据介绍，朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉研究，有着非常广泛的实际用途。由于他的出色工作，科学家们从此就可以将原子“抓住”，不让它们乱跑，也就能对悬浮在空间近乎不动的原子进行研究。许多科学家称：“这项出色的工作不但有科学理论上的意义，也有实用的价值。”

　　使用这种方法，科学家们可以进一步了解光和各种物质的相互作用，特别是气体在超低温状态下的量子物理习性。70年前，爱因斯坦假设过在超低温状态下几乎停止运动的原子群（玻色－爱因斯坦冷凝物），现在他们用这种方法实现了爱因斯坦的假设。开创华裔科学家问鼎诺贝尔奖先河的杨振宁教授说：“1925年，大物理学家爱因斯坦延续了印度科学家玻色的研究工作，提出‘玻色－爱因斯坦凝聚’理论，后来这项工作之所以能在实验上再展新局，朱棣文等人虽然没有直接做出这种奇特的凝聚现象，但为后来的工作铺了路。”我国的量子光学专家也认为，从朱棣文等人的研究工作出发，有可能引申出稀薄气体中的“玻色－爱因斯坦凝聚”，并由此而引出一个崭新的领域——原子激光器的工作。

　　朱棣文的研究工作，不但使科学家获得了一个新的研究手段，也将为人类带来进步。他在接受记者专访时说：“这项成果可以找到大量的用途，这些应用涉及到不同的领域，有材料科学方面的，也有对光与各种物质相互作用的更为深入的研究。目前的应用还只是原子领域中的极小一部分，还仅仅是冰山一角。”

　　当原子被“抓住”后，不但原子的运动速度减了，而且原子也被“冷却”了。据此，就可用来研制更精密的原子钟，使原子钟的精度可由10的-14次方提高到10的-16次方。这种新颖的原子钟用于全球定位系统（GPS），能使全球的定位精度从现在的10米左右提高到小于1米的范围内。此外，各种重要的物理学数的测量精度也可由此而大幅度地得到提高。利用朱棣文教授开发的这项实验技术，可以研制高灵敏度的原子干涉仪（也称“原子陀螺”），用来更精确地测量地球表面不同地点重力加速度的变化，从而揭开地球上的许多谜团，在石油勘探和找矿以及测定地球自转速度和预报地震等方面，都具有重大的应用前景。比如探矿，如果地下有矿藏的话，它的质量要比土壤大，相对应的重力也“大一些”。但这个所谓的“大一些”，仅仅只是大于相对应的地表重力加速度的几亿分之一，用现在传统的方法是根本测量不出，但采用“原子陀螺”就能测出，从而精确地判明矿藏的储量和位置。

　　在生物科技方面，生物学家正在期望着尽早将朱棣文等人开发的“激光冷却原子”技术引入人类基因组项目的研究中，因为解开生物体的遗传密码，需要先对DNA进行分段。科学家认为，利用“激光冷却原子”技术可以测量DNA片段的物理特性，这有助于推进人类基因组计划的研究。10年前，朱棣文和他的两个同事发现，用激光束（“激光镊子”）可以操纵浸没在水中的细菌等极细微的物体。现在他正用这种方法来研究单独的分子聚合体。塑料、合成纤维和活细胞中的脱氧核糖核酸中都有这种聚合体。过去科学家们只能把几百万、几十亿的聚合体放在一起研究，而朱棣文的实验室则可以研究个体的聚合体。朱棣文和他的学生还用“激光镊子”来研究蛋白质在个体分子中的运动状态。从1993年到1997年，他们在这方面的研究成果颇丰，有10篇论文发表在美国《科学》、《自然》等权威性刊物上。

　　此外，利用“激光冷却原子”还可以对物理学基本规律进行验证，如将采用“激光冷却原子”制成的高灵敏度原子干涉仪放到空间的微重力环境中，就有可能最终验证爱因斯坦的广义相对论。科学家还可以借此研究“原子激光”制造精密的电子元件；也可以测量万有引力，进一步发展太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。科学家们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果。

　　2、光纤激光阵列引入LHC

　　据国外媒体报道，一个国际科学家联合小组设计了新的强大激光系统，该系统有上千个光纤激光（fiber lasers）的阵列组成，可以用来在实验室进行基础研究和更加广泛的应用，如质子治疗和原子核嬗变。该研究发表在了最新一期的《自然光子学》上。

　　激光可以提供非常短暂的测量手段，可以精确到飞秒（10^-15），瞬间释放的功率可以高达10^15瓦，是全球发电功率的上千倍。然而，阻碍高强度激光广泛应用的有两个方面：一是高强度激光通常每秒只能发出一个脉冲，而实际应用中则要求能提供上万次脉冲；二是高强度激光能量利用率非常低，输出的激光能量只是输入电能的很小一部分，大部分以热能的形式散发，在实际应用中要保持稳定的高功率输出是非常不经济的。最新研发的这种“光纤激光”阵列不但能提供稳定的光脉冲，而且能量利用效率也大大提升。科学家可以利用它研制一种紧凑型粒子加速器（Compact accelerators），可以在数厘米的距离上把粒子的能量提升到很高的水平，而传统的粒子加速器的加速距离则高达数公里。当今天的加速器体积做的越来越大，耗资越来越高的时候，这种用激光驱动的加速器会越来越受到青睐，或许新一代LHC会采用这种手段。