從畫筆到阿秒激光，定格流光瞬息的一段傳奇

劉玉柱　陳子昂

“最是人間留不住”，在一幅幅前朝的畫卷中，古人用畫筆記錄下了那個時代的風貌；而現在，運動場上的攝影師連續按下快門，就可以定格比賽中的精彩瞬間。從畫卷到運動攝影，越來越快的主體對記錄提出了更高的要求。在科學實驗中，即使是那些看似尋常的現象，背后都存在著微觀層面粒子的復雜運動。為了探究世界的奧秘，科學家用什么來觀察這些微觀粒子的運動呢？今天我們要介紹的阿秒激光，正是科學家觀察微觀粒子運動的神兵利器！

阿秒是個什么秒

阿秒激光是一種非常“快”的激光。“快”并不意味著速度快——畢竟光的速度基本上不會有太大差別。這里的“快”，其實指的是激光脈沖超短，短到了阿秒的時間尺度。這里的阿秒（Attosecond，符號為as），對大家來說可能是一個陌生的概念。

我們的心臟在靜息狀態下跳動一次，大約需要1 秒。而比秒短暫的時間單位，還有很多。例如，毫秒（Millisecond，符號為ms）是10-3秒，即1 秒的千分之一，蒼蠅扇動一次翅膀只需要3 毫秒的時間；微秒（Microsecond，符號為μs）是毫秒的千分之一，為10-6 秒，我們在網絡上點擊一個網頁、播放一段視頻，在經過數十毫秒后，網絡那端的服務器才會收到我們的請求；而納秒（Nanosecond，符號為ns）則是微秒的千分之一，即10-9 秒，十億分之一秒對中國空間站的空間冷原子鐘來說，意味著50 億年內它只會發生1 秒的誤差；皮秒（Picosecond，符號為ps）又是納秒的千分之一，達到了10-12 秒，在真空中每秒傳輸約30 萬千米的光，在1 皮秒的時間內也只能走過0.3毫米的路程；飛秒（Femtosecond，符號為fs）更是皮秒的千分之一，也就是10-15 秒，化學家亞米德·齊威爾首次成功地將飛秒脈沖運用于實時觀察分子化學反應過程，因此榮獲1999 年諾貝爾化學獎。

而阿秒比飛秒更短，僅為10-18 秒！寫作小數的話，小數點后需要寫17 個0 ！對1 阿秒而言，1 秒的時間像是整個宇宙的年齡一樣漫長！在這樣短的時間里，連原子內電子的運動，我們都能觀察得一清二楚！

追光逐電的阿秒激光

自人類開始研究微觀世界以來，科學家一直夢想能夠實時追蹤能量和電荷在微觀粒子體系內的流動，實時觀察分子反應、粒子運動的中間過程。超快激光脈沖出現后，才使得人們的夢想得以實現。那么，什么是超快激光脈沖？沒有眼睛的超快激光脈沖又是怎么“看”到微觀粒子超快運動的呢？

要明白超快激光探測的原理，我們可以拿相機拍照來舉例。1878 年，為了解決“馬在奔跑時是否會四蹄同時離地”這一爭論，美國攝影師愛德沃德·邁布里奇通過依次觸發12 臺相機快門的方式回答了問題——在短暫間隔內所拍攝的那些照片中，馬的四蹄確實存在同時離地的瞬間。試想一下，如果兩臺相機拍照的時間間隔太長，則可能錯過馬蹄同時離開地面的那個瞬間。也就是說，只要快門之間的間隔足夠短，就能更輕松地捕捉到運動速度快的瞬間。

阿秒激光就像是這樣一臺擁有超短快門的“照相機”。以超快光學研究中常用的泵浦- 探測技術為例，實驗中，泵浦光脈沖與探測光脈沖以先后時間到達被探測對象，在泵浦光將探測對象激發后，由可調諧時間延遲的探測光把激發后的探測對象再次激發到可以被直接觀測到的狀態。借助光電探測系統（如光譜儀、光電子速度成像系統、飛行時間質譜儀等）進行觀察和記錄，調整泵浦光脈沖和探測光脈沖的時間延遲，獲得不同超短時間延遲的觀測結果，就實現了對“來無影、去無蹤”的超快過程的實時探測。在此之前，人類對這類超快過程的觀測基本上還停留在飛秒層次，只能對一般的化學反應過程進行觀測。而在阿秒激光投入應用后，觀測電子運動便成為可能。

快、更快：阿秒激光的今天與明天

2023 年10 月3 日，瑞典皇家科學院宣布將2023 年諾貝爾物理學獎授予美國物理學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼、匈牙利- 奧地利物理學家費倫茨·克勞斯和法國物理學家安妮·呂利耶，以表彰他們將產生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質的電子動力學，他們在20 年前所完成的工作為當前蓬勃發展的阿秒激光技術奠定了堅實的基礎。可以說，阿秒激光終于迎來了屬于自己的“高光時刻”。

聰明的你應該已經明白，了解這些微不可察的時間片段能為我們揭示這個世界的更多奧秘。在阿秒之下，還有許多更短的時間尺度值得探索，比如應用于核物理研究的仄秒（Zeptosecond，10-21 秒）、能夠觀察W 及Z 玻色子產生的幺秒（Yoctosecond，10-24）等。目前最短的時間片段——普朗克時間，更是達到了5.4×10-44 秒。它是目前物理學范圍內定義的最小時間單位。要知道，德國科學家在2020 年成功地將人類觀測最短時間的紀錄突破至247 仄秒，但是這與普朗克時間還存在著難以逾越的鴻溝——相當于在秒與阿秒的差距基礎上再大1 萬倍！

2021 年，為了實現超快科學與物質科學的交叉發展，中國科學院物理研究所在廣東省東莞市設立了超快物質科學中心，旨在建設國際上最先進的、以超快時間分辨的物質科學研究為突出特點的超快科學與技術研究高地，為高溫超導、量子計算、光伏發電以及生命健康等重大基礎科學問題的突破提供助力。

結語

“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛。”

在1 671 年以前，也就是大約52 696 656 000 秒以前，王羲之提筆寫下《蘭亭序》，感嘆宇宙之浩渺、人生之短暫。在這個永恒變化著的世界里，凝聚著全人類智慧的阿秒激光將會為我們定格下其中的一瞬，記錄著我們人類進步的足跡！

（責任編輯：白玉磊）