阿秒激光：令人驚嘆的微觀世界超高速相機
2023年10月3日，在瑞典斯德哥爾摩舉行的2023 年諾貝爾物理學獎公布現場，
評委會專家解讀2023年諾貝爾物理學獎得主的研究成果
文/《環球》雜志記者?戴威
編輯/馬瓊
天下武功，唯快不破。
有時，我們會把很短的時間，形容為“一次心跳的時間”，而一次心跳的持續時間是10的18次方阿秒。
在近期一項類似于定格攝影的實驗中，美國和德國科學家團隊首次拍攝了液態水中電子實時運動的“定格幀”，這一成果被發表于《科學》雜志。
專家認為，這項成果標志著實驗物理學的重大進步，它提供了一個窗口，使科學家能在以前用X射線無法企及的時間尺度上了解液體中分子的電子結構。此前科學家只能在皮秒（1秒=1萬億皮秒）的時間尺度上解析電子運動?，F在，在阿秒尺度上研究X射線擊中目標的電子反應的能力使研究人員能夠深入研究輻射引發的化學反應，比以前的方法快100萬倍。
種種跡象表明，阿秒激光或將成為開啟神秘電子世界的那把鑰匙。
何為“阿秒”？
對普通人來說，阿秒是一個極為陌生的概念。
其實早在戰國時期，我國著名思想家尸佼就提出“四方上下曰宇，古往今來曰宙”的樸素時空觀。時至今日，在物理學最前沿的研究中，空間和時間依舊是最重要、最基礎的兩個維度。
就人類感官而言，當物體快速運動時，其圖像會模糊并重疊在一起，極短的時間里發生的變化無法被觀察到。因此，科學家們通過研制更精確的“時間窗”，以此來捕捉或描繪這些非常短暫的瞬間，顯得格外重要。
在19世紀，物理學界有一個備受關注且熱議的問題：馬在奔馳時，四條腿會同時離開地面嗎？
美國企業家利蘭·斯坦福對這個問題非常感興趣。為驗證這個猜想，他找到了著名的攝影師埃德沃德·邁布里奇。在那個時代，錄像功能尚未誕生，當時相機快門的反應時間為15秒，有時甚至長達1分鐘。
馬不會為了照顧相機快門放慢疾馳的腳步，它們噠噠的馬蹄，成了驗證這個假想的最大阻礙。埃德沃德·邁布里奇可沒那么容易放棄，他靈機一動，不僅改進了相機的快門設計，還在跑道上放了12處相機和機關。每當馬靠近相機，就會觸發機關，拍下照片。最后，他將這12張照片拼在一起，便是馬奔跑的全過程。
通過觀察拼接后的照片，人們很快找到了問題的答案：駿馬奔馳時，的確能捕捉到那么一個瞬間——它的四條腿同時離開地面。
時間進入21世紀。2023年10月3日，瑞典皇家科學院宣布，將當年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶，以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”。
“我們現在可以打開電子世界的大門。阿秒物理學使我們有機會了解電子控制的機制。下一步將是利用它們。”諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森如是說。
當科學家們將視角投入電子世界，他們發現，位置和能量的變化速度介于1到幾百阿秒之間，其中1阿秒是1秒的十億分之一。阿秒脈沖光技術是人類目前所掌握的最快的時間尺度，它就像一把尺子，尺子刻度越細，可測量的精度就越高。
中國科學技術大學人文與社會科學學院科技傳播系副主任袁嵐峰表示，阿秒光脈沖可以被理解為高速相機原理，想抓拍到一個人運動過程中的精彩瞬間，需要一個反應速度快的相機。阿秒光脈沖正是微觀反應研究中的“高速相機”。
過去，激光脈沖持續的時間極限是“飛秒”，雖然這足以讓人們看清原子，但對于電子來說，“飛秒”的時間分辨率顯得過于粗糙，以至于按照這個尺度，人們只能獲得類似馬賽克的效果。
相干光脈沖從飛秒進步到阿秒，不單是時間尺度的簡單進步，更重要的是將人們研究物質結構的能力，從原子分子運動推進到了原子內部，可以對電子運動和關聯行為進行探測，從而引發基礎物理研究的重大革命。
阿秒將給普通人帶來什么？
1999年的一天，美國加州理工學院教授艾哈邁德·澤維爾，因為自己的發現獲得了諾貝爾化學獎。澤維爾在上世紀80年代研究使用一種激光光束拍攝過渡態中原子振蕩的過程，幫助科學家通過“慢動作”觀察處于化學反應過程中的原子與分子，從而對過渡態的性質與結構展開研究。因此，澤維爾也被稱為“飛秒化學之父”。
從那時起，科學家們開始認識到如閃電一般的激光能夠捕捉那些稍縱即逝的瞬間。這個發現也為后續一系列顛覆性研究提供了理論基礎。
如今，這束激光的速度又升級了千倍，成功實現了從飛秒到阿秒的劇變。
現在，當人們提起飛秒激光，往往能想到以飛秒激光近視手術為代表的諸多應用。而提到阿秒激光，似乎很難把這個名詞和普通人的生產生活聯系到一起。
袁嵐峰坦言，“阿秒激光目前還沒有多大用處，它的應用才剛剛開始，還都停留在基礎研究方面。”但是，這并不代表阿秒光脈沖沒有應用潛力，“它打開了一扇門，但是這個門后面有什么還需要我們去深入探索?！彼f。
那么，這扇門背后，究竟有什么呢？
2023年11月5日在第六屆進博會醫療器械及醫藥保健展區美敦力展臺拍攝的脈沖場消融系統
“電子運動負責產生光以及化學鍵的形成和斷裂，從而改變生物分子的結構及其在生命系統中的功能，并負責以最快的速度處理信息……今天，我們正在使用阿秒光脈沖來更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過程，并找出它們如何影響宏觀世界?！贝饲?，獲得沃爾夫物理學獎后，費倫茨·克勞斯這樣闡述阿秒物理學的應用價值。
伊娃·奧爾森則表示，阿秒物理學讓我們有機會了解電子控制的機制，為電子信息工業和醫學領域的潛在應用鋪平了道路。
中國科學院物理研究所研究員魏志義認為，該項技術可以與超導、納米材料、光伏產業、制藥、激光醫療等領域結合，推動人類對物質結構有更深入的認識，從而帶來相關革命性進展。
毋庸置疑的是，盡管目前阿秒物理學的應用與人們的某些想象還有一段距離，但它卻擁有著極為廣泛的應用場景。
它為人類研究微觀世界提供了一雙“慧眼”。
在它的加持下，許多微觀過程將不再需要“旁證”才能被證實，而是可以被直接觀測到：阿秒激光可以用來拍攝各種高速運動的過程，如化學反應、分子尺度的運動和原子尺度的運動。
用阿秒激光拍攝化學反應的過程，可以幫助科學家們更好地理解反應機理，并進一步改進化學工藝。用阿秒激光拍攝分子和原子的運動，可以揭示它們之間的相互作用和動力學過程，對于材料科學和生物科學的研究非常重要。
以生物醫學領域為例，阿秒脈沖的高分辨率成像技術有望提升疾病的早期診斷和治療效果，為研究癌癥、神經系統疾病等重大醫學難題提供新突破口。
據了解，費倫茨·克勞斯團隊還在嘗試用飛秒和阿秒技術來分析血液樣本并檢測其中的微小變化。他們正在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，這一技術可能會對癌癥等疑難雜癥的研究產生重大影響。
“阿秒時代”加速駛來？
2021年，《科學》雜志發布了“全世界最前沿的125個科學問題”，其中有超過10個問題需要通過超快科學解決。阿秒脈沖的出現，有望助力多個科學和應用研究領域涌現更多原始創新。
阿秒激光，并非大自然的饋贈，而是人造的奇跡。
法國物理學家安妮·呂利耶是第一個發現撬開阿秒世界工具的人。1987年，她在做氣體電離實驗中，將波長為1064納米的激光射入氬氣等幾種稀有氣體，氣體出現了與以往實驗不同的顏色。
她隨后發表了關鍵論文，發現了強激光照射惰性氣體產生高次諧波的現象，并獲得了高次諧波典型的頻譜結構，其譜寬已經能夠支持阿秒量級的脈沖，為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。自此，她的研究生涯和阿秒激光緊緊結合在一起。16年后，她帶領研究團隊創造了世界紀錄，產生了170阿秒的最短激光脈沖。
和她一同獲得諾貝爾物理學獎的另外兩位科學家也不斷為“阿秒大廈”添磚加瓦：匈牙利人費倫茨·克勞斯在2001年帶領研究團隊制造并測量了第一個阿秒光脈沖，并用它來捕捉原子內部電子的運動，標志著阿秒物理學的誕生。此外，他的團隊還成功分離出持續650阿秒的脈沖，這是科學家第一次成功跟蹤電子從原子中脫離的過程。法國人皮埃爾·阿戈斯蒂尼是強場激光與原子相互作用的領軍人物，他和他的團隊首次產生并測量了阿秒光脈沖，并用它們捕捉原子內部電子運動，開創了阿秒物理學的先河。
時至今日，在全球多個地方，更多科學家正在為爭奪相關領域制高點爭分奪秒。
實驗室里，碩果頻出：2022年，美國密歇根大學和德國雷根斯堡大學的研究人員合作，捕捉到了電子在幾百阿秒內的運動，這是迄今為止最快的速度。
同年，日本理化學研究所先進光子學中心和東京大學的研究團隊合作，開發了一種新型干涉儀，用于處理源于阿秒脈沖的光學干涉和物質中電子態的量子干涉產生的條紋。他們通過使用氦原子樣本的實驗對高次諧波脈沖進行后生成分裂，證明了干涉儀方案的可行性。
此外，國際上已經開始展開阿秒激光設施的建設和競爭。由諾貝爾物理學獎獲得者熱拉爾·穆魯等人倡導，歐盟率先在匈牙利開展了歐洲極端光設施——阿秒光源（ELI-ALPS）的建設，并推動了Fastlite、Active Fiber、Light Conversion等國際知名激光科技公司的產品迭代升級，這些新一代激光技術將在先進制造、國防科技等領域發揮重要作用。
在中國，相關科研單位正大規模地開展有關阿秒光源的基礎設施建設，比如中國科學院物理所和松山湖材料實驗室在廣東東莞松山湖共建的阿秒科學中心。據了解，這一中心建成后綜合指標有望實現國際領先。
