2023年10月3日，在瑞典斯德哥尔摩举行的2023 年诺贝尔物理学奖公布现场，

评委会专家解读2023年诺贝尔物理学奖得主的研究成果

文/《环球》杂志记者 戴威

编辑/马琼

　　天下武功，唯快不破。

　　有时，我们会把很短的时间，形容为“一次心跳的时间”，而一次心跳的持续时间是10的18次方阿秒。

　　在近期一项类似于定格摄影的实验中，美国和德国科学家团队首次拍摄了液态水中电子实时运动的“定格帧”，这一成果被发表于《科学》杂志。

　　专家认为，这项成果标志着实验物理学的重大进步，它提供了一个窗口，使科学家能在以前用X射线无法企及的时间尺度上了解液体中分子的电子结构。此前科学家只能在皮秒（1秒=1万亿皮秒）的时间尺度上解析电子运动。现在，在阿秒尺度上研究X射线击中目标的电子反应的能力使研究人员能够深入研究辐射引发的化学反应，比以前的方法快100万倍。

　　种种迹象表明，阿秒激光或将成为开启神秘电子世界的那把钥匙。

何为“阿秒”？

　　对普通人来说，阿秒是一个极为陌生的概念。

　　其实早在战国时期，我国著名思想家尸佼就提出“四方上下曰宇，古往今来曰宙”的朴素时空观。时至今日，在物理学最前沿的研究中，空间和时间依旧是最重要、最基础的两个维度。

　　就人类感官而言，当物体快速运动时，其图像会模糊并重叠在一起，极短的时间里发生的变化无法被观察到。因此，科学家们通过研制更精确的“时间窗”，以此来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间，显得格外重要。

　　在19世纪，物理学界有一个备受关注且热议的问题：马在奔驰时，四条腿会同时离开地面吗？

　　美国企业家利兰·斯坦福对这个问题非常感兴趣。为验证这个猜想，他找到了著名的摄影师埃德沃德·迈布里奇。在那个时代，录像功能尚未诞生，当时相机快门的反应时间为15秒，有时甚至长达1分钟。

　　马不会为了照顾相机快门放慢疾驰的脚步，它们哒哒的马蹄，成了验证这个假想的最大阻碍。埃德沃德·迈布里奇可没那么容易放弃，他灵机一动，不仅改进了相机的快门设计，还在跑道上放了12处相机和机关。每当马靠近相机，就会触发机关，拍下照片。最后，他将这12张照片拼在一起，便是马奔跑的全过程。

　　通过观察拼接后的照片，人们很快找到了问题的答案：骏马奔驰时，的确能捕捉到那么一个瞬间——它的四条腿同时离开地面。

　　时间进入21世纪。2023年10月3日，瑞典皇家科学院宣布，将当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，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”。

　　“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学使我们有机会了解电子控制的机制。下一步将是利用它们。”诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森如是说。

　　当科学家们将视角投入电子世界，他们发现，位置和能量的变化速度介于1到几百阿秒之间，其中1阿秒是1秒的十亿分之一。阿秒脉冲光技术是人类目前所掌握的最快的时间尺度，它就像一把尺子，尺子刻度越细，可测量的精度就越高。

　　中国科学技术大学人文与社会科学学院科技传播系副主任袁岚峰表示，阿秒光脉冲可以被理解为高速相机原理，想抓拍到一个人运动过程中的精彩瞬间，需要一个反应速度快的相机。阿秒光脉冲正是微观反应研究中的“高速相机”。

　　过去，激光脉冲持续的时间极限是“飞秒”，虽然这足以让人们看清原子，但对于电子来说，“飞秒”的时间分辨率显得过于粗糙，以至于按照这个尺度，人们只能获得类似马赛克的效果。

　　相干光脉冲从飞秒进步到阿秒，不单是时间尺度的简单进步，更重要的是将人们研究物质结构的能力，从原子分子运动推进到了原子内部，可以对电子运动和关联行为进行探测，从而引发基础物理研究的重大革命。

阿秒将给普通人带来什么？

　　1999年的一天，美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽维尔，因为自己的发现获得了诺贝尔化学奖。泽维尔在上世纪80年代研究使用一种激光光束拍摄过渡态中原子振荡的过程，帮助科学家通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子，从而对过渡态的性质与结构展开研究。因此，泽维尔也被称为“飞秒化学之父”。

　　从那时起，科学家们开始认识到如闪电一般的激光能够捕捉那些稍纵即逝的瞬间。这个发现也为后续一系列颠覆性研究提供了理论基础。

　　如今，这束激光的速度又升级了千倍，成功实现了从飞秒到阿秒的剧变。

　　现在，当人们提起飞秒激光，往往能想到以飞秒激光近视手术为代表的诸多应用。而提到阿秒激光，似乎很难把这个名词和普通人的生产生活联系到一起。

　　袁岚峰坦言，“阿秒激光目前还没有多大用处，它的应用才刚刚开始，还都停留在基础研究方面。”但是，这并不代表阿秒光脉冲没有应用潜力，“它打开了一扇门，但是这个门后面有什么还需要我们去深入探索。”他说。

　　那么，这扇门背后，究竟有什么呢？

2023年11月5日在第六届进博会医疗器械及医药保健展区美敦力展台拍摄的脉冲场消融系统

　　“电子运动负责产生光以及化学键的形成和断裂，从而改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能，并负责以最快的速度处理信息……今天，我们正在使用阿秒光脉冲来更好地了解涉及电子、原子和分子的微观过程，并找出它们如何影响宏观世界。”此前，获得沃尔夫物理学奖后，费伦茨·克劳斯这样阐述阿秒物理学的应用价值。

　　伊娃·奥尔森则表示，阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制，为电子信息工业和医学领域的潜在应用铺平了道路。

　　中国科学院物理研究所研究员魏志义认为，该项技术可以与超导、纳米材料、光伏产业、制药、激光医疗等领域结合，推动人类对物质结构有更深入的认识，从而带来相关革命性进展。

　　毋庸置疑的是，尽管目前阿秒物理学的应用与人们的某些想象还有一段距离，但它却拥有着极为广泛的应用场景。

　　它为人类研究微观世界提供了一双“慧眼”。

　　在它的加持下，许多微观过程将不再需要“旁证”才能被证实，而是可以被直接观测到：阿秒激光可以用来拍摄各种高速运动的过程，如化学反应、分子尺度的运动和原子尺度的运动。

　　用阿秒激光拍摄化学反应的过程，可以帮助科学家们更好地理解反应机理，并进一步改进化学工艺。用阿秒激光拍摄分子和原子的运动，可以揭示它们之间的相互作用和动力学过程，对于材料科学和生物科学的研究非常重要。

　　以生物医学领域为例，阿秒脉冲的高分辨率成像技术有望提升疾病的早期诊断和治疗效果，为研究癌症、神经系统疾病等重大医学难题提供新突破口。

　　据了解，费伦茨·克劳斯团队还在尝试用飞秒和阿秒技术来分析血液样本并检测其中的微小变化。他们正在分析这些变化是否足够具体，以便能够在疾病的初始阶段明确地诊断出疾病，这一技术可能会对癌症等疑难杂症的研究产生重大影响。

“阿秒时代”加速驶来？

　　2021年，《科学》杂志发布了“全世界最前沿的125个科学问题”，其中有超过10个问题需要通过超快科学解决。阿秒脉冲的出现，有望助力多个科学和应用研究领域涌现更多原始创新。

　　阿秒激光，并非大自然的馈赠，而是人造的奇迹。

　　法国物理学家安妮·吕利耶是第一个发现撬开阿秒世界工具的人。1987年，她在做气体电离实验中，将波长为1064纳米的激光射入氩气等几种稀有气体，气体出现了与以往实验不同的颜色。

　　她随后发表了关键论文，发现了强激光照射惰性气体产生高次谐波的现象，并获得了高次谐波典型的频谱结构，其谱宽已经能够支持阿秒量级的脉冲，为激光脉冲突破至阿秒提供了先决性条件。自此，她的研究生涯和阿秒激光紧紧结合在一起。16年后，她带领研究团队创造了世界纪录，产生了170阿秒的最短激光脉冲。

　　和她一同获得诺贝尔物理学奖的另外两位科学家也不断为“阿秒大厦”添砖加瓦：匈牙利人费伦茨·克劳斯在2001年带领研究团队制造并测量了第一个阿秒光脉冲，并用它来捕捉原子内部电子的运动，标志着阿秒物理学的诞生。此外，他的团队还成功分离出持续650阿秒的脉冲，这是科学家第一次成功跟踪电子从原子中脱离的过程。法国人皮埃尔·阿戈斯蒂尼是强场激光与原子相互作用的领军人物，他和他的团队首次产生并测量了阿秒光脉冲，并用它们捕捉原子内部电子运动，开创了阿秒物理学的先河。

　　时至今日，在全球多个地方，更多科学家正在为争夺相关领域制高点争分夺秒。

　　实验室里，硕果频出：2022年，美国密歇根大学和德国雷根斯堡大学的研究人员合作，捕捉到了电子在几百阿秒内的运动，这是迄今为止最快的速度。

　　同年，日本理化学研究所先进光子学中心和东京大学的研究团队合作，开发了一种新型干涉仪，用于处理源于阿秒脉冲的光学干涉和物质中电子态的量子干涉产生的条纹。他们通过使用氦原子样本的实验对高次谐波脉冲进行后生成分裂，证明了干涉仪方案的可行性。

　　此外，国际上已经开始展开阿秒激光设施的建设和竞争。由诺贝尔物理学奖获得者热拉尔·穆鲁等人倡导，欧盟率先在匈牙利开展了欧洲极端光设施——阿秒光源（ELI-ALPS）的建设，并推动了Fastlite、Active Fiber、Light Conversion等国际知名激光科技公司的产品迭代升级，这些新一代激光技术将在先进制造、国防科技等领域发挥重要作用。

　　在中国，相关科研单位正大规模地开展有关阿秒光源的基础设施建设，比如中国科学院物理所和松山湖材料实验室在广东东莞松山湖共建的阿秒科学中心。据了解，这一中心建成后综合指标有望实现国际领先。