阿秒：捕捉电子运动的“超级快门”

“阿秒是10的负18次方秒，而1阿秒是多快？”

4月18日，第十四期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学相辉堂举行。2023年诺贝尔物理学奖得主、瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶以“阿秒脉冲的探索之旅”为题，与上海市高校及中学师生代表进行了一场面对面的交流。这也是她首次到访中国。

2023年，她与皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯共同荣获诺贝尔物理学奖，获奖理由是“为研究物质中电子动力学而开发出产生阿秒光脉冲的实验方法”。

从飞鸟到子弹：为何需要阿秒？

想象一下，一只鸟儿以每秒1米的速度掠过天空，我们的眼睛可以轻松追随。但若换成一颗击穿苹果的子弹，其速度之快，肉眼根本无法捕捉细节，唯有借助高速摄像机的慢动作回放，才能看清苹果破裂的瞬间。

然而，微观世界的粒子运动，比子弹还要快得多。以最简单的氢原子为例，其电子绕原子核运动一周的时间，大约是150阿秒。

那么，1阿秒究竟有多短？吕利耶教授打了一个生动的比方：目前可观测的宇宙年龄，大约是140亿年。1阿秒相对于1秒的比例，就相当于1秒相对于整个宇宙年龄的长度。这种时间尺度上的悬殊对比，直观地揭示了阿秒世界的极端与深邃。

要想看清原子内部电子的“舞步”，就需要曝光时间短至阿秒量级的超快“照相机”。阿秒激光脉冲，正是这台相机的“闪光灯”。但制造出如此短暂的光脉冲，曾是物理学界面临的一道巨大难题。

意外的礼物：高次谐波与阿秒脉冲的诞生

转机出现在上世纪80年代末。当时，还是法国萨克雷核研究中心一名年轻研究员的安妮·吕利耶，在一次实验中意外发现了解决问题的线索。她用一束普通的红外激光照射气体，观察到气体发出了一种奇特的“光的泛音”。

这就像弹奏吉他时，琴弦不仅发出基础音调，还会产生一系列更高频率的泛音。实验中，气体发出的“泛音”是极紫外光。更关键的是，这些不同频率的泛光叠加在一起，在时间维度上竟形成了一连串极其短暂的光闪，其持续时间短到了阿秒级别。

这一现象被称为“高次谐波”产生。其原理在于，高次谐波在频率上覆盖了极宽的范围，根据傅里叶变换的数学原理，宽的频谱带宽正好对应着时间上极短的脉冲。这个意外的发现，如同一份馈赠，让科学家们首次拥有了进入阿秒世界的大门，逐步构建起梦寐以求的“超高速相机”。

经过近二十年的技术积累与快速发展，尤其是飞秒与阿秒激光技术的突破，科学家如今已经掌握了相当先进的阿秒脉冲产生与测量技术。在实验室里，脉宽接近甚至短于20阿秒的光脉冲已成为现实。

从“看见”到“理解”：阿秒科学的深远影响

“通过神奇的阿秒光脉冲，我们得以看见并认识微观世界。”但必须认识到，从观察粒子运动，到理解其背后规律，再到最终利用这些规律改造世界，依然是一条漫长的征途。正如吕利耶教授所分享的：“我从事这个领域的研究工作已经大约40年了，在这个过程中，我们不断看到并学习新事物。未来，我们还将朝着阿秒物理学的更深处迈进。”

在阿秒级光脉冲问世之前，科学家观测微观世界超快过程的极限，停留在“飞秒”尺度。1飞秒是1秒的一千万亿分之一。凭借飞秒激光这把“超级快门”，科学家得以“拍摄”化学反应中原子核的振动、化学键的断裂与形成。

然而，原子内部电子的运动速度比原子核快上千倍，其时间尺度属于更短的“阿秒”级别。用飞秒“快门”去捕捉电子，得到的只能是一片模糊的拖影。因此，阿秒激光脉冲的诞生，标志着一场更为深刻的“超快革命”。其最深远的意义，不仅在于突破了观测极限，更在于它将百年物理难题——例如光电效应中电子“瞬时”发射的谜团——转变为了一个可以实际观测和测量的科学课题。

汇聚多学科智慧的前沿阵地

如今，阿秒科学已经成长为一个汇聚物理学、化学、生物学乃至材料科学智慧的前沿交叉领域，持续驱动着源头创新。

在物理学前沿，它正帮助科学家窥探高温超导、奇异量子材料背后复杂的电子行为奥秘。在化学与生物医学领域，阿秒技术使得直接观测电荷转移过程、揭示DNA辐射损伤的微观机制成为可能，为理解生命本质和研发新型药物提供了革命性的工具视角。甚至在工业应用层面，基于阿秒技术的极紫外光源，已开始用于纳米级半导体结构的精密无损检测，为下一代更小、更快电子产品的制造工艺保驾护航。

面对未来，吕利耶教授既充满期待，也保持着科学家特有的审慎。她指出，从观察到理解，再到最终的控制与利用，这是一个需要持续探索新事物的过程。不断学到新的东西，正是推动整个领域向前发展的核心动力。

原标题：《诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”》