再谈“阿秒”2023诺贝尔物理学奖——我们能从中获得什么启发？（必读）

--本文较长，预计阅读8min--

Hello，大家好，这里是Masir的公众号，关于诺贝尔物理学奖的故事还未结束，今天我们继续来谈谈。

本篇主要深入再谈谈关于“阿秒”的一些认知以及未来的应用。

好，开始！我们知道比原子还小的粒子，称之为亚原子。

而为了捕捉到亚原子世界中那些疯狂而又快速粒子的瞬间，就需要制造出难以想象的短暂闪光技术。Anne L’Huillier，Pierre Agostini 和 Ferenc Krausz 分享了2023年诺贝尔物理学奖，因为他们开创性地发展了在几乎不可思议的短时间内照亮现实的能力。

从左至右: 皮埃尔 · 阿戈斯蒂尼、费伦茨 · 克劳兹和安妮 · L · 赫利耶

在20世纪80年代至21世纪初期，这三位物理学家就开发出了制造持续时间仅为阿秒的激光脉冲的技术，这种脉冲的周期比一秒短数十亿倍。在如此短暂的闪光中，世界变慢了。

高速相机在拍摄蜂鸟挥翅的瞬间，图片来源于网络

蜂鸟翅膀的拍打变成了永恒，甚至连蚊子不停的嗡嗡声也变得迟缓起来。

在阿秒时间尺度上，物理学家可以直接探测到电子自身的运动，因为它们在原子周围飞来飞去，从一个地方跳到另一个地方。

“诺贝尔物理学委员会主席、查尔摩斯工学院物理学家伊娃•奥尔森(Eva Olsson)表示，产生阿秒级光脉冲的能力在极小的时间尺度上打开了大门。它还打开了通往电子世界的大门。”

这是走向微观的捷径！

当然，除了是一种研究电子的全新方法之外，其实这种用超低速运动来观察世界的方法可能会带来许多应用。

诺贝尔委员会成员马茨 · 拉尔森(Mats Larsson)称赞这项技术开创了“原子化学”领域，即利用光操纵单个电子的能力。

他接着说，向半导体发射阿秒激光脉冲，这种材料几乎可以瞬间从阻断电流转变为导电，从而有可能生产出超快的电子设备。克劳兹是今年的诺贝尔奖获得者之一，他还试图利用阿秒脉冲的能量来检测血细胞的微妙变化，这些变化可能预示着癌症的早期阶段。

超高速世界与我们的世界完全不同，但由于 L’Huillier、 Agostini、 Krausz 和其他研究人员的工作，这样的一个世界才刚刚进入人们的视野。

阿秒是什么？

一阿秒等于一秒的十五分之一，即0.00000000000000001秒。

在一秒内经过的阿秒数比宇宙诞生以来经过的秒数还要多。

为了记录行星的运动，我们以天、月、年来思考。

为了测量一个人跑100米短跑，我们使用秒或百分之一秒。

但是当我们深入到亚微观世界时，物体移动得更快，为了测量接近瞬时的运动，比如电子的舞动，我们需要有更精细的刻度标记的“秒表”: 阿秒，这就是阿秒被定义的本质。

1925年，维尔纳·海森堡是量子力学的先驱之一，他认为一个电子环绕一个氢原子所花费的时间是不可观测的。

从某种意义上说，他是对的。

老百姓心目中的原子常常是下面这个样子！

图片来自精英日课*4

中间有个原子核，外面有几个电子沿着固定的轨道旋转，就好像行星绕着太阳转一样。这也是卢瑟福想象的原子，而这个图像是错误的。真实的原子，差不多是像下面这个样子。

图片来自精英日课*4

电子并不像行星围绕恒星那样围绕原子核旋转。相反，物理学家把它们理解为概率波，给出了它们在特定时间和地点被观测到的几率，所以我们无法测量一个真正在太空中飞行的电子。

但在另一个意义上，海森堡低估了20世纪物理学家的创造力，如 L’Huillier，Agostini 和 Krausz。电子存在于这里或那里的几率随时间而变化，从阿秒变为阿秒。由于能够产生阿秒级的激光脉冲，在电子进化过程中与之相互作用，研究人员可以直接探测各种电子行为。

问题是，物理学家如何产生阿秒脉冲？

上世纪80年代，加州理工学院(California Institute of Technology)的艾哈迈德•泽维尔(Ahmed Zewail)发明了一种能够使激光器闪光的脉冲持续几飞秒(即数千阿秒)的技术。

这些光点为泽维尔赢得了1999年诺贝尔化学奖，足以让研究人员研究分子中原子之间的化学反应是如何展开的，当时这项技术被誉为“世界上最快的照相机”。

但是过了一些时间，更快的摄像机似乎也开始遥不可及。而且当时还不清楚如何使光更快地振荡，因为更快的震荡就意味更快的脉冲。

安妮 · L · 赫利尔 Anne L'Huillier 2023诺贝尔物理学奖获得者

安妮·勒惠利尔是第5位获得诺贝尔物理学奖的女性。

好在1987年，安妮 · L · 赫利尔(Anne L’Huillier)和她的合作者做了一个有趣的观察: 如果你把光照射到某些气体上，它们的原子就会受到激发，并重新发射出比最初的激光振荡速度快许多倍的其他颜色的光——这种效应被称为“泛音效应”

L’Huillier 的研究小组发现，在像氩气这样的气体中，这些额外的颜色中的一些看起来比其他颜色更明亮，但是以一种意想不到的模式出现。一开始，物理学家们不确定该如何解释这一现象。

在20世纪90年代早期，L’huillier 和其他研究人员使用量子力学来计算各种泛音的不同强度。然后他们就可以精确地预测，当一束缓慢振荡的红外激光击中一团原子时，这些原子反过来又会发出一束快速振荡的“极紫外辐射”光。

一旦他们明白了应该期待什么样的泛音，他们就会想办法把它们叠加起来，形成一个新的波: 一个波峰在阿秒级上激增。

在接下来的几年里，物理学家利用这种对泛音的详细理解，在实验室里制造了阿秒脉冲。

Agostini 和他的团队开发了一种叫做 Rabbit 的技术，或者“通过干涉双光子跃迁重建阿秒跳动”。2001年，Agostini 的团队用 Rabbit 产生了一系列激光脉冲，每个脉冲持续250阿秒。

同年，Krausz 的研究小组使用了一种稍有不同的方法——裸奔来制造和研究单次爆发，每次爆发持续650阿秒。2003年，L’Huillier 和她的同事们用仅持续170阿秒的激光脉冲击败了他们。

就这样，飞秒屏障被打破了。

你能用阿秒脉冲做什么？

阿秒脉冲可以让物理学家探测到在几十到几百阿秒内发生的任何变化。

第一个应用是尝试物理学家长期以来认为不可能(或者至少是极不可能)的东西: 确切地看到电子在做什么。

1905年，阿尔伯特 · 爱因斯坦以他对量子力学的解释开启了光电效应的研究领域，在这个领域中，光照射在金属板上，电子被发射到空气中(他后来因他的理论获得了1921年的诺贝尔物理学奖)。

在阿秒物理时代之前，物理学家们通常认为导致这些被发射的电子释放的反应链是瞬间的。

2010年，Krausz 及其同事的研究表明，情况并非如此。他们使用阿秒脉冲来计时从氖原子中被撞出的电子。

特别是，他们发现处于较低能量状态的电子比处于较高能量状态的电子逃离宿主的速度快21阿秒。在2020年，另一组科学家发现电子从液态水中逃逸的速度比从水蒸气中逃逸的速度快几十阿秒。

阿秒脉冲的进一步应用正在开发中。

这项技术可以探测各种各样的电子活动，包括粒子如何携带和阻挡电荷，电子如何互相反弹，以及电子如何集体行为。

Krausz 也在人类血液上发出第二次闪光。去年，他帮助展示了血液样本中的微小变化可以表明一个人是否患有早期癌症，以及是哪种癌症...

这，真的是个不可思议的发现，以后这对人类未来的科技一定有巨大的贡献。

好啦，今天就先这样啦，感兴趣的朋友评论区见啦~