物质内的原子或分子都在永不停歇的做无规则热运动，这种运动的剧烈程度由系统的温度来描述。运动越剧烈，则温度越高，反之温度越低。该规律告诉我们，要想让物体的温度降下来，只要让它里面的原子的运动尽可能慢下来就行了。这让人不禁想起一句中国俗语：心静自然凉。温度本身是一个统计平均量，这种统计平均只有针对大量粒子才有意义。因此，只有大量原子才具有温度，少数个原子是不存在温度的。
一般情况下，原子总在运动，就像蹦来蹦去的淘气鬼。然而，对很多科学研究来说，例如像原子钟、光谱测量技术以及观察物质的新形态——玻色爱因斯坦凝聚（BEC）等，让原子最大限度的冷静下来，是很重要的。
那么，有什么办法能让原子静下来呢？有啊！降温呗，采用各种低温技术就可以啊！可是，要真正让原子冷静下来，温度需要接近绝对零度才可以，而一般的低温技术根本达不到这个要求。但原子非常小，有什么精细的武器能将作用准确施加到原子个体上呢？不错，光能干这事！光虽然是照在原子上集体上，但各个光子就像射弹一样精准的打在各个原子上，保证作用到位。
根据动量守恒定律，就像汽车不断被迎头击中而降速一样，原子也会因为不断受到光子的冲撞而逐渐慢下来。但问题是，入射的光可能会让迎面而来的原子减速，但同样也会让那些与光子速度同向的原子加速。并且可以想见，原子被光子碰撞而加速和减速的机会应该是一样多！所以无法为原子降速。要回答这个问题，就得看光子碰到原子会发生什么。
光子碰到原子时，它可能被原子吸收——之所以说可能，是因为这个吸收不一定发生，取决于原子吸收光子的能量后，能否跳到其他能级。那么，什么是能级呢？原子具有能量，这个能量包含原子整体（主要是原子核）的动能、电子的动能以及电子与原子核之间相互作用的能量。电子绕原子核运动，对某种原子来说，电子可能的轨道是确定的。
电子只能在这些轨道上运动，这就好像太阳系一样，那些行星只能在那些确定的轨道上运动，如果偏离一点，这个太阳系可能就要崩溃了。当电子从低轨道跃迁到高轨道时，它要吸收相应的能量。只有当入射的光子提供的能量够原子发生一个能级跃迁时，原子才会吸收光子，根据动量守恒定律，这将导致原子的速度发生变化。只要想办法让迎着运动原子的光子能量大一点，而让追着运动原子的光子的能量小一点就行了！多普勒效应来救场了！
我们有这样的经验，当火车从远处驶过来的时候，它的鸣笛的声调较高，而当它远离我们而去时，声音就变得较为低沉。这就是声音的多普勒效应。而光也有类似的效应，当接收者与光源相对运动时，多普勒所导致的接受频率为其中为接收者与光源之间的相对速率。
只要让激光的频率比原子能吸收的光子的频率小一定的值即可！具体来讲就是，针对对要冷却的原子调整激光的频率到一个合适的值，使得迎着光运动的原子接受的光子的频率满足原子能级跃迁的要求，光子被吸收，原子的速度降低。对于沿着光方向运动的原子来说，由于多普勒效应，光子的能量不够激发电子到达更高的轨道，故原子就不吸收光子，避免了原子被加速。
激光冷却的实现有很多不同的技术，其中最重要的原理是多普勒效应，因此激光冷却也被称作多普勒冷却。通过多普勒冷却，人们成功将铷-85原子冷却到150微开的低温。在现代物理研究中，激光冷却原子是一项非常重要的技术。1997年诺贝尔物理学奖授予科恩（Cohen-Tannoudji）、朱棣文（Steven Chu）和菲利普斯（Daniel Phillips），因为他们发展了“激光冷却和捕获原子的方法”。