2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，瑞典皇家科學(xué)院將此殊榮授予了三位科學(xué)家：皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·勒伊耶。他們因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)工作中做出的重要貢獻(xiàn)而受到嘉獎(jiǎng)。這三位物理學(xué)家開創(chuàng)性地展示了一種創(chuàng)造極短光脈沖的方法，這些光脈沖可以用于測(cè)量電子運(yùn)動(dòng)和能量變化的快速過程，為人類探索原子和分子內(nèi)部的電子世界提供了新的工具。

他們的開創(chuàng)性工作通過控制光與物質(zhì)的相互作用，打開了研究自然界中最快過程的大門。這項(xiàng)工作對(duì)于理解生命的化學(xué)基礎(chǔ)和開發(fā)新技術(shù)具有重要意義。通過利用這種技術(shù)，科學(xué)家可以更深入地了解物質(zhì)內(nèi)部的電子是如何運(yùn)動(dòng)的。

那么，什么是阿秒呢？阿秒是一種時(shí)間單位，等于10的負(fù)18次方秒。與普通的時(shí)間單位相比，阿秒時(shí)間非常短暫。以宇宙年齡約為137億年為例，宇宙誕生到現(xiàn)在所經(jīng)歷的時(shí)間與一秒內(nèi)所包含的阿秒數(shù)量相當(dāng)。

光是世界上移動(dòng)最快的物質(zhì)，一秒內(nèi)可以跑30萬公里，相當(dāng)于繞地球七八圈。在一阿秒的時(shí)間內(nèi)，光連一納米都無法跑完，甚至無法繞過原子核一圈。物理學(xué)家研究阿秒這么短的時(shí)間單位，是為了深入了解物質(zhì)內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)。

可以從攝影的角度來理解這個(gè)問題。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，如射入木板的子彈或每秒振翅80次的蜂鳥，如果使用快門速度很慢的相機(jī)拍攝，只能得到模糊的圖像。只有當(dāng)快門速度足夠快，如1/1000秒，才能捕捉到物體運(yùn)動(dòng)的瞬間。

對(duì)于物質(zhì)內(nèi)部的電子而言，它們的運(yùn)動(dòng)速度非常快，接近光速的量級(jí)，因此運(yùn)動(dòng)的時(shí)間單位常常以阿秒為計(jì)量。例如，氫原子中電子繞核一周的時(shí)間約為152阿秒。為了研究電子的運(yùn)動(dòng)，我們需要一種特殊的“照相機(jī)”，它的快門速度需要達(dá)到幾十阿秒。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)了一種持續(xù)時(shí)間只有幾十阿秒的光脈沖，作為拍攝電子運(yùn)動(dòng)的“快門”，使我們能夠更深入地了解微觀世界的奧秘。

在以往，科學(xué)家一直努力制造更短的光脈沖，但面臨一個(gè)困難：很難將光脈沖的長(zhǎng)度縮短到小于一個(gè)光周期的時(shí)長(zhǎng)。光是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的波動(dòng)，一個(gè)光周期就是光完成一次波動(dòng)所需的時(shí)間。傳統(tǒng)方法無法將光脈沖的時(shí)長(zhǎng)縮短到1飛秒（1000阿秒）以下，因此無法用于觀測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的電子。

要突破這個(gè)限制并構(gòu)建阿秒脈沖，關(guān)鍵在于使用波長(zhǎng)非常短的光，并將許多不同波長(zhǎng)的光合并在一起。為了產(chǎn)生適宜的光，科學(xué)家利用激光穿過氣體時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，即“氣體高次諧波”。這種現(xiàn)象類似于撥動(dòng)吉他琴弦時(shí)產(chǎn)生的泛音。

在1987年，安妮·勒伊耶和她的團(tuán)隊(duì)成功制造出了這種激光的“泛音”。相比以往的實(shí)驗(yàn)，她們的紅外激光產(chǎn)生了更多、更強(qiáng)的“泛音”，為制造阿秒激光奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)激光進(jìn)入氣體并影響其原子時(shí)，會(huì)引起電磁振蕩，這種振蕩會(huì)扭曲將電子束縛在原子核周圍的電場(chǎng)，從而讓電子有機(jī)可趁逃逸出原子。在電子逃逸期間，它們從激光的電場(chǎng)中收集了額外能量，并以光脈沖的形式釋放多余能量。這些來自電子的光脈沖，就是實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的“泛音”。

光的能量與其波長(zhǎng)相關(guān)，而“泛音”中的能量相當(dāng)于紫外線，波長(zhǎng)比人眼可見光短。由于能量來自激光的振蕩，所以“泛音”的振蕩與原始激光脈沖的波長(zhǎng)成正比。當(dāng)光與多種不同的原子相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一系列具有特定波長(zhǎng)的光波。

一旦出現(xiàn)這些“泛音”，它們就會(huì)相互作用。當(dāng)光波峰值重合時(shí)，光變得更強(qiáng)，但當(dāng)一個(gè)周期的峰值與另一個(gè)周期的波谷重合時(shí)，光變得更弱。在適當(dāng)?shù)那闆r下，多個(gè)“泛音”重合，產(chǎn)生一系列持續(xù)幾百阿秒的光脈沖。這個(gè)理論在上世紀(jì)90年代已被物理學(xué)家理解，但直到2001年才取得光脈沖的識(shí)別和測(cè)試突破。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼及其研究小組成功產(chǎn)生并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，類似于一列帶有多節(jié)車廂的火車。他們使用一種特殊技術(shù)，將光脈沖列車與原始激光脈沖的延遲部分組合在一起，以了解泛音之間的相位關(guān)系。這個(gè)過程還使他們能夠測(cè)量脈沖列車中每個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間，他們發(fā)現(xiàn)每個(gè)光脈沖只持續(xù)250阿秒。

與此同時(shí)，費(fèi)倫茨·克勞斯及其在奧地利的研究小組致力于一種技術(shù)，可以選擇單個(gè)光脈沖，類似于從火車上分離并切換到另一條軌道的一節(jié)車廂。他們成功地分離出持續(xù)時(shí)間為650阿秒的光脈沖，并利用它來跟蹤和研究電子被拉離原子的過程。

這些實(shí)驗(yàn)證明了阿秒光脈沖可以被觀測(cè)和測(cè)量，并且可以用于新的實(shí)驗(yàn)。如今，阿秒世界已經(jīng)觸手可及，這些短暫的光脈沖可以用于研究電子的運(yùn)動(dòng)。目前已經(jīng)能夠產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間只有幾十阿秒的光脈沖，并且這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展。

阿秒光脈沖技術(shù)使我們能夠精確地測(cè)量電子從原子中被拉出的時(shí)間，并研究這個(gè)時(shí)間與電子和原子核之間的關(guān)系?，F(xiàn)在我們可以更加清晰地觀察電子在分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，而以前我們只能對(duì)它們的平均位置進(jìn)行估計(jì)。

阿秒光脈沖不僅可以幫助我們深入了解物質(zhì)內(nèi)部的工作原理，還可以幫助我們識(shí)別和研究各種物理事件?？茖W(xué)家已經(jīng)利用這種技術(shù)深入探索了原子和分子的奧秘，并且在許多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，包括電子技術(shù)和醫(yī)學(xué)。

舉個(gè)例子，我們可以利用阿秒光脈沖來激發(fā)分子，從而產(chǎn)生特定的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)就像分子的指紋，告訴我們它是什么分子。這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。通過研究分子的特定光信號(hào)，我們可以識(shí)別疾病或進(jìn)行藥物研發(fā)。

這一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的得主們通過創(chuàng)造性的工作，為我們揭開了微觀世界的奧秘，為理解自然界中最快過程和開發(fā)新技術(shù)提供了基礎(chǔ)。阿秒光脈沖技術(shù)的發(fā)展必將在科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新中發(fā)揮重要作用，為我們帶來更多的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)步。