“你好，這里是從諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)打來(lái)的電話?！敝Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布當(dāng)天，3名科學(xué)家接到了這一問(wèn)候，并得知獲獎(jiǎng)消息。

安妮·呂伊耶（Anne L’Huillier）是最早接到電話的獲獎(jiǎng)?wù)?，她也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的第5位女性科學(xué)家。

在諾獎(jiǎng)發(fā)布會(huì)開(kāi)始前半小時(shí)，工作人員給她打了三四個(gè)電話才得以接通。當(dāng)時(shí)，安妮正在瑞典德隆大學(xué)上課，課間休息時(shí)，她才注意到電話響了。

得知獲獎(jiǎng)消息后，她很快結(jié)束了通話，回去上課。但這個(gè)好消息仍讓她激動(dòng)不已，以至于后來(lái)發(fā)布會(huì)連線時(shí)，她說(shuō)：“講好最后半小時(shí)的課有點(diǎn)難”。

發(fā)布會(huì)結(jié)束后，費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）在德國(guó)接到了電話，他的第一反應(yīng)是：“我不確定這是夢(mèng)，還是現(xiàn)實(shí)?！倍煌@獎(jiǎng)的美國(guó)俄亥俄州大學(xué)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）則被女兒追問(wèn)：我在谷歌上看到了消息，是真的嗎？

在電話里表達(dá)獲獎(jiǎng)感受時(shí)，3名科學(xué)家都提到了帶給他們成就和榮譽(yù)的科學(xué)突破。

“看到以前沒(méi)人能看到的東西總是令人興奮，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記。”對(duì)費(fèi)倫茨來(lái)說(shuō)，那個(gè)時(shí)刻是在2001年的一個(gè)早晨，他和同事利用阿秒光脈沖技術(shù)，第一次讓電子運(yùn)動(dòng)可以被清晰看見(jiàn)。

今年的物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的，正是這3位找到了“用光捕捉最短瞬間的實(shí)驗(yàn)方法”的科學(xué)家，因?yàn)樗麄兇蜷_(kāi)了研究電子運(yùn)動(dòng)的大門(mén)。

這一次，評(píng)選委員會(huì)將目光投向“阿秒物理學(xué)”，表彰突破性科學(xué)成就的同時(shí)，也提供了一個(gè)窗口，讓我們得以窺見(jiàn)微觀粒子世界的奇妙。

這個(gè)領(lǐng)域其實(shí)很有趣，它也可以被學(xué)科外的普通人所理解。要想感受它的神奇，其中的準(zhǔn)則你一定熟悉：相信光。

這是光和電子碰撞出來(lái)的科學(xué)。

給飛速的電子照張相

“獲獎(jiǎng)?wù)哌M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了阿秒物理學(xué)的新研究領(lǐng)域?！敝Z獎(jiǎng)委員會(huì)評(píng)價(jià)道。

如此簡(jiǎn)單的一句概括，包含著非同尋常的科學(xué)探索和突破。

物質(zhì)世界是由層層嵌套的分子、原子、電子等組成的。研究電子，是從原子往微觀世界更進(jìn)一步。

但在此之前，研究電子的難點(diǎn)在于，它運(yùn)動(dòng)得實(shí)在太快了—它必須用“阿秒”作為時(shí)間尺度來(lái)衡量。

1阿秒有多短？我們以人類(lèi)心臟跳動(dòng)1次用時(shí)1秒為基準(zhǔn)，1阿秒之于它，相當(dāng)于心跳一次之于宇宙誕生以來(lái)138億年的光陰。

電子是如此捉摸不定，要想研究它，必須盡量看清它，一個(gè)有效的辦法，是拍照定格。

這個(gè)技巧的原理，我們熟悉。

就像有了可以快速成像的照相機(jī)，我們終于弄清楚：奔跑時(shí)的馬兒是四腳騰空，而非始終有一個(gè)馬蹄著地；也知道了一只蜂鳥(niǎo)每秒可以振動(dòng)翅膀多達(dá)80次—這些都是過(guò)去我們無(wú)法用肉眼捕捉和認(rèn)知的事。

可要對(duì)以“阿秒”速運(yùn)動(dòng)的電子拍照片，可沒(méi)有那么容易。

就像要給奔跑的馬兒拍照，照相機(jī)的快門(mén)必須比馬兒奔跑的速度更快，否則，拍出來(lái)的照片就是模糊的，什么也看不清。同樣的道理，要想給運(yùn)動(dòng)的電子拍張清晰的照片，拍照的速度要比它更快。

這是個(gè)非常需要技巧的活兒，有和奧林匹克運(yùn)動(dòng)員一樣的極限追求：更快。

3位諾獎(jiǎng)獲得者做的就是這件事：找到超高頻率的阿秒光脈沖，給電子拍下清晰的照片。

這就回到了我們開(kāi)頭說(shuō)的“相信光”的話題，也就是：為什么光可以做到。

道理并不難懂，因?yàn)楣馐悄壳耙阎膫鞑ニ俣茸羁斓臇|西，能夠運(yùn)用光，就有了清晰拍照的前提。

光是這樣工作的。

1阿秒有多短？我們以人類(lèi)心臟跳動(dòng)1次用時(shí)1秒為基準(zhǔn)，1阿秒之于它，相當(dāng)于心跳一次之于宇宙誕生以來(lái)138億年的光陰。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，可以用激光產(chǎn)生的最短脈沖來(lái)研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，我們就是通過(guò)這些脈沖的特點(diǎn)來(lái)看見(jiàn)分子、原子甚至電子的“照片”。

脈沖閃光的持續(xù)時(shí)間和激光場(chǎng)振蕩的速度代替相機(jī)曝光時(shí)間的作用，科學(xué)家就能對(duì)微觀世界進(jìn)行“定格”。

但對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)在于：突破光脈沖的速度極限。

過(guò)去，科學(xué)家們以為，激光脈沖持續(xù)的時(shí)間極限是“飛秒”，這足以讓我們看清原子，因?yàn)樵泳褪窃凇帮w秒”量級(jí)上運(yùn)動(dòng)，而面對(duì)電子，“飛秒”完全不夠用，它太粗糙了，按這個(gè)尺度，只能呈現(xiàn)類(lèi)似馬賽克的效果。

就像諾獎(jiǎng)委員會(huì)描述得那樣：改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，還不足以看到電子在極其短暫的時(shí)間尺度上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，它需要一些全新的東西—也就是阿秒物理學(xué)。

從“飛秒”到“阿秒”，其實(shí)就是精進(jìn)到千分之一，但這不是單純的量變，對(duì)于研究粒子來(lái)說(shuō)，已經(jīng)到了從“原子到電子”的質(zhì)變程度。

可是隨之而來(lái)的難題在于，怎么才能產(chǎn)生突破極限，找到“阿秒”量級(jí)的激光脈沖，打開(kāi)電子世界的大門(mén)？

突破性時(shí)刻

鑰匙是在1987年偶然間被發(fā)現(xiàn)的。

當(dāng)時(shí)，安妮和同事發(fā)現(xiàn)，紅外激光穿過(guò)氣體時(shí)，產(chǎn)生了新的脈沖光波，它非常短，而且有很高的能量。她很快意識(shí)到，脈沖的能量和時(shí)間尺度的值，可以用來(lái)激發(fā)電子，并研究它們的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)激光強(qiáng)度足夠大，會(huì)明顯改變?cè)觾?nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)，使得電子被迫逃離原子，但它們是如此難舍難分，電子之后會(huì)迅速回歸它原來(lái)的軌跡，這個(gè)過(guò)程里，受到刺激的電子會(huì)激發(fā)出新的、更短的脈沖。

這是安妮被授予諾獎(jiǎng)的原因：發(fā)現(xiàn)了激光與氣體中電子相互作用的新效應(yīng)。

沿著這個(gè)發(fā)現(xiàn)，后續(xù)的科學(xué)家相信，可以通過(guò)組合更多、更短的波長(zhǎng)制造“阿秒”級(jí)別的光脈沖，作為相機(jī)快門(mén)，檢測(cè)電子的超高速運(yùn)動(dòng)。

有意思的是，發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)是意外收獲。

原先，這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的是另外的課題，但安妮注意到了這些不同尋常的光脈沖，沒(méi)有把它當(dāng)成誤差而錯(cuò)過(guò)，就此開(kāi)始了新的研究。

“我發(fā)現(xiàn)它非常令人著迷，并真正陷入了探索這種新現(xiàn)象的過(guò)程中，它是原子物理學(xué)的有趣組合?！卑材莼貞浾f(shuō)。

這個(gè)時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)科學(xué)探索的妙不可言，有時(shí)它不是求仁得仁，但有識(shí)之士卻能從異樣中挖掘出寶藏，發(fā)現(xiàn)它藏著開(kāi)啟另外一些重大問(wèn)題的鑰匙。

這是探索電子世界的科學(xué)故事，而科學(xué)家們找到了新的測(cè)量工具，安妮站在了起點(diǎn)處，展示了產(chǎn)生阿秒脈沖在實(shí)驗(yàn)原理上的技巧。

不過(guò)，直到2001年，阿秒光脈沖才第一次被制造和測(cè)量出來(lái)。

皮埃爾和他在法國(guó)的研究小組成功地產(chǎn)生并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，他們看到每個(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。

與此同時(shí)，費(fèi)倫茨和他在奧地利的研究小組研究了單個(gè)脈沖，他們還成功分離出持續(xù)650阿秒的脈沖，科學(xué)家第一次成功跟蹤了電子從原子中脫離的過(guò)程。

在此之前，電子運(yùn)動(dòng)快到無(wú)法追蹤，但3位科學(xué)家的研究，實(shí)現(xiàn)了“不可能”到“可能”的跨越。

最終，3位獲獎(jiǎng)?wù)哒业搅恕坝霉獠蹲阶疃趟查g”的新方法，他們讓激光脈沖足夠短，足以捕獲電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的圖像，諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)委員馬茨·拉爾森教授形容：這一突破打開(kāi)了電子世界的大門(mén)。

“我們從不同的方向進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，大部分都是做互補(bǔ)的工作。我很榮幸的是，我從一開(kāi)始就參與其中。”去年，獲得有著“諾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)”之稱(chēng)的沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)后，安妮這樣說(shuō)。當(dāng)時(shí)和她一同獲獎(jiǎng)的還有費(fèi)倫茨和另一位來(lái)自渥太華大學(xué)的科庫(kù)姆教授。

也正是他們開(kāi)辟了阿秒物理學(xué)的新領(lǐng)域，一門(mén)研究微觀宇宙中電子運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。

“電子運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生光以及化學(xué)鍵的形成和斷裂，從而改變生物分子的結(jié)構(gòu)及其在生命系統(tǒng)中的功能，并負(fù)責(zé)以最快的速度處理信息……今天，我們正在使用阿秒光脈沖來(lái)更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過(guò)程，并找出它們?nèi)绾斡绊懞暧^世界?！比ツ?，獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)后，費(fèi)倫茨這樣闡述阿秒物理學(xué)的價(jià)值。

通過(guò)這個(gè)本世紀(jì)初才誕生的新領(lǐng)域、新工具，誠(chéng)如諾貝爾委員會(huì)所說(shuō)：現(xiàn)在，阿秒世界已經(jīng)觸手可及。

科學(xué)的道路

“阿秒物理學(xué)讓我們有機(jī)會(huì)了解電子控制的機(jī)制，下一步將是利用它們。”諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席伊娃·奧爾森說(shuō)，而3位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ鳎瑸殡娮有畔⒐I(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用鋪平了道路。

盡管他們的研究屬于基礎(chǔ)科學(xué)，但應(yīng)用并非不可想象。

科學(xué)理論正在以新的速度轉(zhuǎn)化為應(yīng)用。在過(guò)去的20年里，阿秒技術(shù)在世界范圍內(nèi)激增。

阿秒物理學(xué)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，是實(shí)時(shí)控制物質(zhì)中的電子運(yùn)動(dòng)。我們已經(jīng)在芯片半導(dǎo)體上，實(shí)現(xiàn)了在“皮秒”（注：千分之一納秒）級(jí)別的電流控制，而未來(lái)，阿秒技術(shù)將大幅提升電子信號(hào)處理的速度，甚至可能推進(jìn)到速度極限：光頻率。

在醫(yī)療領(lǐng)域，視力矯正是我們最熟悉的一類(lèi)激光手術(shù)，它用到的就是飛秒技術(shù)。

現(xiàn)在，費(fèi)倫茨的團(tuán)隊(duì)還在嘗試用飛秒和阿秒技術(shù)來(lái)分析血液樣本并檢測(cè)其中的微小變化。他們正分析這些變化是否足夠具體，以便能夠在疾病的初始階段明確地診斷出疾病，他們將這種新方法稱(chēng)為電場(chǎng)分子指紋識(shí)別。

科學(xué)理論正在以新的速度轉(zhuǎn)化為應(yīng)用。在過(guò)去的20年里，阿秒技術(shù)在世界范圍內(nèi)激增。

費(fèi)倫茨也解釋?zhuān)琗射線自由電子激光器，是激光科學(xué)里最大的基礎(chǔ)設(shè)施，它的原理，就是光和電子的“阿秒”級(jí)相互作用。其中六座已在幾大洲投入運(yùn)營(yíng)，還有幾座正處于建設(shè)和規(guī)劃階段。它們可以發(fā)射持續(xù)時(shí)間為“阿秒”的X射線脈沖。這些在許多應(yīng)用中都有前景，其中一些具有深遠(yuǎn)的重要性。

我們經(jīng)歷的過(guò)去影響著我們的當(dāng)下和未來(lái)，科學(xué)探索、應(yīng)用的起點(diǎn)，從更久遠(yuǎn)的興趣萌芽開(kāi)始。

克勞茲著迷于探索更小的空間和時(shí)間維度。上世紀(jì)80年代，他還是個(gè)大學(xué)生，就在寫(xiě)畢業(yè)論文期間激發(fā)了對(duì)激光物理，尤其是超短光脈沖的興趣。

“激光與電子的相互作用使我們能夠產(chǎn)生和測(cè)量極其短暫的閃光，這一事實(shí)令我著迷。當(dāng)時(shí)的‘極限’意味著持續(xù)時(shí)間為幾皮秒的脈沖，是電子電路控制電流的特征時(shí)間尺度?！?/p>

對(duì)安妮來(lái)說(shuō)，40年前進(jìn)入這個(gè)當(dāng)時(shí)小眾的領(lǐng)域，那種感覺(jué)就像她10歲時(shí)，看著阿波羅11號(hào)第一次冒險(xiǎn)登月一樣新鮮。

“這是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，是全新的。”她花了幾年時(shí)間才真正理解它，并在多年的探索中，發(fā)現(xiàn)：“學(xué)習(xí)和探索新事物，尋求應(yīng)用是非常有趣的。”

直到現(xiàn)在，她仍然受這股力量驅(qū)動(dòng)：“即使是30年后的現(xiàn)在，我們?nèi)栽趯W(xué)習(xí)新事物，仍在努力改進(jìn)流程以適應(yīng)某些應(yīng)用，它的物理原理非常復(fù)雜，但這使得它非常非常有趣?！?/p>