微觀世界的“超級快門”
——阿秒光脈沖

● 文/林寬雨

每年隨著諾貝爾獎的公布，火的不僅是獲得諾貝爾獎的人，一些我們可能從來沒聽說過的名詞也會名氣暴漲。比如，這次因為諾貝爾物理學獎而備受關注的“阿秒光脈沖”。相信很多同學在各大新聞上看到“阿秒光脈沖”這個詞時，都會心生疑惑：這到底是什么？今天，我們就來聊聊“阿秒光脈沖”，讓大家對這個陌生的名詞有更多的了解。

什么是阿秒光脈沖

想知道什么是阿秒光脈沖，我們得先來了解一下阿秒。阿秒是個時間單位，只不過相對于我們熟悉的時、分、秒，它非常短。根據換算關系，1 阿秒等于10-18秒。這么說，同學們可能還意識不到阿秒有多短。打個比方，假如有人能在1 阿秒的時間內前進1 米，那么他在1 秒鐘的時間里將前進100 億億米。而阿秒光脈沖指的就是一種脈沖時間達到阿秒級別的光脈沖。

阿秒光脈沖“召喚術”

阿秒級，如此短瞬間的光脈沖真的能被人們“召喚”出來嗎？答案是肯定的，諾貝爾獎評選委員會已經幫我們驗證過了。至于阿秒光脈沖是如何被人們“召喚”出來的，還要從飛秒光脈沖和此次諾貝爾物理學獎得主之一的法國物理學家安妮?呂利耶說起。

飛秒光脈沖是一種脈沖時間在10-15秒量級的光脈沖，在阿秒光脈沖被人們發現之前，“最短的光脈沖”的桂冠一直屬于飛秒光脈沖。1987 年，安妮?呂利耶在利用飛秒光脈沖照射稀有氣體后，發現這些稀有氣體會發出一系列的高次諧波光，這些諧波光可以幫助人們“召喚”出更短的光脈沖，為人們“召喚”阿秒光脈沖奠定了基礎。2001 年，獲得今年諾貝爾物理學獎的另外兩位物理學家皮埃爾?阿戈斯蒂尼和費倫茨?克勞斯在前人研究的基礎上，分別“召喚”出了時長為250 阿秒和650 阿秒的光脈沖。從此，阿秒光脈沖走進了人們的視野。值得一提的是，中國科學院物理研究所的魏志義課題組在2013 年也“召喚”出了阿秒光脈沖，讓我國在阿秒光脈沖領域占據了一席之地。

天下武功，唯快不破

科學家之所以熱衷于“召喚”阿秒級的光脈沖，是因為他們深知一個道理——天下武功，唯快不破。如果還沒有破，那就說明還不夠快。舉個例子，我們拍攝蝴蝶扇動翅膀時，能比較容易地拍到清晰的照片。但拍攝蜂鳥時，照片上蜂鳥的翅膀很可能是一片模糊。會出現這種情況，主要是因為蜂鳥扇動翅膀的頻率比蝴蝶快很多。想在蜂鳥扇動翅膀時拍到清晰照片，就得用比蜂鳥扇動翅膀更快的速度按下快門。同樣，科學家想要研究那些運動速度很快的物質，也需要按下時間更短的“快門”，也就是時間單位級別更短的光脈沖。尤其是在科學家把目光投向微觀世界后，發現這里的粒子都在以極高的速度“狂奔”，如果不利用時間單位級別更小的光脈沖，根本看不清楚這些粒子的運動軌跡。

在科學家的不懈努力下，我們前面提到的飛秒光脈沖被“召喚”出來。飛秒光脈沖的出現為科學家關注微觀世界中的原子運動提供了很大幫助，埃及化學家艾哈邁德?澤維爾還因應用飛秒激光閃光成像技術觀測到分子中的原子在化學反應中是如何運動的，獲得了1999 年諾貝爾化學獎。然而，在微觀世界里，原子的運動速度并不是最快的，能幫助科學家看清原子運動軌跡的飛秒光脈沖，卻拿比原子運動速度更快的電子沒什么辦法。為了更清楚地觀測微觀世界，科學家只能向比飛秒更小的時間單位發起沖擊。

阿秒光脈沖的貢獻

費倫茨·克勞斯（中）

阿秒光脈沖的出現不僅實現了科學家觀測電子運動軌跡的愿望，同時也促成了更多高科技的出現。比如，費倫茨?克勞斯及其團隊利用和阿秒光脈沖相關的探測技術及一些其他高科技，開發出電場分子指紋技術。這種技術可以探測生物流體內分子成分的變化，有望成為一種新的體外診斷分析技術，為保護我們的身體健康作出貢獻；加州大學伯克利分校的研究組及合作者們利用和阿秒光脈沖相關的技術，探測到半導體材料硅中電子的行動等。未來，和阿秒光脈沖相關的技術還有望幫助人們精確設計和控制化學反應的方向，得到想要的物質；讓絕緣物質變身成導電物質；在更短的時間內計算處理大量信息……

阿秒光脈沖是人類智慧的結晶，是人類探索未知領域的一個重要突破。相信，未來阿秒光脈沖會在更多領域體現它的價值，為人類的美好生活貢獻更多力量，讓我們拭目以待吧！