神們自己

科普作家，著有《貓、愛(ài)因斯坦和密碼學(xué)：我也能看懂的量子通信》《機(jī)器新腦》

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·盧·惠利耶這三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)谘芯俊鞍⒚牍饷}沖”方面所做出的貢獻(xiàn)。也許你是第一次聽(tīng)到“阿秒”這個(gè)詞，它是什么意思呢？為什么阿秒光脈沖這一科學(xué)成果能夠獲得諾貝爾獎(jiǎng)呢？看完這篇文章，你就能知道答案。

也許你沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“阿秒”，但你很有可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)“毫秒”“微秒”和“納秒”。1毫秒就是千分之一秒，1微秒是千分之一毫秒，1納秒是千分之一微秒。其實(shí)，阿秒和它們一樣，也是時(shí)間單位，只是比它們還要小得多！

阿秒是一個(gè)極其小的時(shí)間單位，1阿秒等于10-18秒。阿秒到底有多短，我們可以通過(guò)比較來(lái)認(rèn)識(shí)：目前，我們可以觀測(cè)到的最長(zhǎng)的時(shí)間尺度是我們宇宙的年齡，大約為140億年（約0.4x1018秒）。1阿秒比上1秒，就相當(dāng)于1秒比上整個(gè)宇宙的年齡。阿秒是如此短暫，以至于它超越了我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢愿惺艿降臅r(shí)間尺度，而直接進(jìn)入了微觀世界的尺度。而有了阿秒光脈沖，我們就可以在實(shí)驗(yàn)中“親眼”看到微觀世界。

在進(jìn)入神秘陌生的微觀世界前，讓我們先通過(guò)日常生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行想象——想象你在用相機(jī)拍攝一個(gè)非?？焖俚膭?dòng)作，比如梅西射門時(shí)足球飛出的一剎那。當(dāng)你按下相機(jī)的快門按鈕時(shí)，快門會(huì)打開(kāi)，讓光線通過(guò)鏡頭進(jìn)入相機(jī)，照射在感光元件上，形成一張照片?？扉T打開(kāi)的時(shí)間長(zhǎng)度就是快門速度。例如，千分之一秒的快門速度，表示快門打開(kāi)的時(shí)間是千分之一秒。相機(jī)的快門速度必須非?？?，才能捕捉到射門這一瞬間。如果快門速度太慢，那么足球就會(huì)移動(dòng)很大的距離，因此在照片上，足球會(huì)變成模糊的一條軌跡。

在綠茵場(chǎng)上，職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員射門時(shí)的球速高達(dá)每小時(shí)100多千米。這個(gè)速度已經(jīng)很快了，然而在原子內(nèi)部，電子的運(yùn)動(dòng)速度更加驚人。在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的影響下，比如在粒子加速器中，它的速度可以接近光速！我們用普通照相機(jī)的快門，只能給足球比賽拍照；想要給電子這樣的微觀粒子拍照，我們就需要用到阿秒光脈沖。

阿秒光脈沖，就是我們探索微觀世界的“超級(jí)快門”。和普通相機(jī)的快門原理一樣，只不過(guò)它能用來(lái)“拍攝”原子、分子甚至更小的電子。這些粒子的運(yùn)動(dòng)速度超級(jí)快，所以我們需要阿秒這樣的“超級(jí)快門”才能“看清”它們。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光脈沖就是一次閃光，你可以將阿秒光脈沖想象成一個(gè)極快的閃光燈。你知道怎么拍攝高速攝影嗎？比如，一個(gè)爆米花在瞬間爆開(kāi)的視頻，就是用高速攝影機(jī)拍攝的。攝影師使用特制的專業(yè)相機(jī)，在一秒鐘內(nèi)拍攝了上千張照片，然后把這些照片快速播放，就能看到爆米花瞬間爆開(kāi)的清晰視頻。

阿秒光脈沖就是這樣一種“閃光燈”，只不過(guò)它可以閃得更快，快到能在一秒鐘內(nèi)閃爍上百億億次——這就是阿秒的概念。當(dāng)科學(xué)家們研究原子或電子等微小粒子時(shí)，他們就會(huì)使用阿秒光脈沖作為“閃光燈”，瞬間照亮這個(gè)微觀世界。因此，探測(cè)器就會(huì)“拍到”這些粒子在不同光脈沖下的狀態(tài)，比如位置、速度、能量等，就像拍攝一系列照片?？茖W(xué)家們把這些“照片”連續(xù)播放，就能看到電子等粒子在阿秒時(shí)間尺度上的運(yùn)動(dòng)和變化，就像看高速攝影一樣。這對(duì)于理解物質(zhì)是如何工作的，以及開(kāi)發(fā)新的科技，比如更好的電子設(shè)備、新型藥物等都非常有幫助。

那么，阿秒光脈沖能夠“拍到”些什么呢？

阿秒光脈沖可以幫助我們觀察化學(xué)反應(yīng)中電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，甚至能夠幫助我們看到電子是如何在原子之間“跳躍”的。就像我們可以用高速攝像機(jī)來(lái)記錄和分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作一樣，阿秒光脈沖不僅可以幫助我們“看到”電子在化學(xué)反應(yīng)中是如何移動(dòng)的，有時(shí)還可以控制這個(gè)過(guò)程。

阿秒光脈沖可以幫助我們更好地理解光電池和納米材料是如何工作的。比如，我們可以“看到”電子在光電池中是如何流動(dòng)的，這對(duì)于設(shè)計(jì)更高效的光電池非常重要。

阿秒光脈沖可以測(cè)量超導(dǎo)體中的電子對(duì)，幫助我們更好地理解超導(dǎo)體的工作原理，也許可以徹底揭開(kāi)超導(dǎo)的秘密。超導(dǎo)體是一種在極低溫下電阻為零的材料，電流可以在其中無(wú)損耗地流動(dòng)，這對(duì)于制造高效能電器、磁懸浮列車等有著重要應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，阿秒光脈沖更是至關(guān)重要。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的工作原理就是通過(guò)操控微觀粒子的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而阿秒光脈沖可以作為一種精確的工具，像鑷子一樣，用來(lái)操控電子和光子。這把“微型鑷子”還可以用來(lái)分析DNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、幫助醫(yī)學(xué)工作者研發(fā)新藥、治愈癌癥這樣的疑難雜癥。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，阿秒光脈沖的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越廣，它將不僅僅局限于光學(xué)，還會(huì)被應(yīng)用到物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)等更多領(lǐng)域。

在人類已知的時(shí)間單位中，比阿秒還小的只剩下仄秒（10-21秒）和幺秒（10-24秒）。雖然這些超短時(shí)間尺度在理論上存在，但目前我們還未能在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量到這樣的時(shí)間尺度。這些時(shí)間尺度是如此之短，以至于它們主要用于描述基本粒子（如夸克和輕子）以及強(qiáng)相互作用和電弱相互作用等基本力的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

加油吧，少年！也許等你長(zhǎng)大了，將會(huì)攻克仄秒光脈沖和幺秒光脈沖這樣的技術(shù)難關(guān)！