科普：观察微观世界的“超级快门”

——2023年诺贝尔物理学奖成果解读

　　新华社北京10月3日电  瑞典皇家科学院3日宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶三位科学家，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

　　什么是阿秒？1阿秒是10的负18次方秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一。在这三位科学家的努力下，光脉冲已经可以达到阿秒级。那么，创造如此短瞬间的光脉冲有哪些意义？

　　蜂鸟扇动翅膀的频率可达每秒80次，而我们只能看到翅膀模糊的影子。人类视觉感官不可能观察到极短的事件，快速的运动看起来就是一片模糊，“捕捉”这些非常短暂的瞬间需要使用高速摄影。要获得蜂鸟翅膀运动的清晰图像，相机快门必须比蜂鸟翅膀运动的速度还快。也就是说，任何测量都必须比被测量对象变化的速度更快，否则结果就是“模糊”的。

　　而在物质的微观世界，粒子都是以极高的频率在移动。原子运动的时间尺度是飞秒，即10的负15次方秒，用激光脉冲（飞秒激光）可以观察。但原子的运动比起电子的运动来说还是“慢得很”，因为电子运动的时间尺度是阿秒。电子在原子或分子内部运动如此之快，以至于在飞秒级的光脉冲观察下还是模糊不清。科学界认识到，需要全新的技术以观察到电子的运动。

　　光的波长和频率成反比，人们可以想到的最短光脉冲就是光波的一个振动周期。在这种情况下，普通波长的激光系统所产生的光脉冲无法低于飞秒，这是上世纪80年代科学界的普遍认识。如何让光脉冲达到阿秒级？科学家通过计算认为，可以通过组合多个波长的短波激光脉冲来产生更短的光脉冲。

　　要组合新波长需要的不仅仅是激光，另一个关键是激光穿过气体时产生一种现象：光与原子相互作用并产生谐波，那是在原始波的一个周期中完成多个完整周期的波。1987年，吕利耶在法国实验用一束红外激光穿过惰性气体，结果产生的谐波比之前用较短波长激光所产生的谐波更多更强。她在上世纪90年代继续探索这种效应，为下一个实验突破奠定了基础。

　　光的能量与波长有关，越短波长的光能量越强。激光穿过气体时产生谐波的能量相当于紫外线，其波长比可见光短。激光与许多不同的气体原子互动就会产生一组特定波长的谐波，而这些谐波又会相互作用，在适当的情况下会产生一系列紫外线光脉冲，每个脉冲的时间尺度为几百阿秒。

　　实际识别和测试脉冲的突破发生在2001年。阿戈斯蒂尼在法国和他的研究小组成功创造和研究了一系列连续的谐波光脉冲，就像一列带车厢的火车。他们使用了一种特殊的技巧让光脉冲“列车”和延时的原始激光束放在一起，以观察谐波。他们还实测出每个脉冲持续约250阿秒。与此同时，当时在奥地利的克劳斯和他的研究小组研究出一种技术，可以分离出单个脉冲。他们成功分离的脉冲持续了650阿秒，该小组用它来跟踪和研究电子从原子中“拉离”的过程。

　　三位科学家连续的突破表明，阿秒脉冲可以观察和测量，并且也可以用于新的实验。如今，“阿秒物理学”的世界已经打开，可以产生的光脉冲达到几十阿秒量级，这些“超级快门”可以用来观察电子的运动、探测原子和分子的详细结构，也可以用在医疗诊断中识别不同的分子。