探索微觀世界的“超級快門”

神們自己

科普作家，著有《貓、愛因斯坦和密碼學：我也能看懂的量子通信》《機器新腦》

2023年諾貝爾物理學獎，授予了皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·盧·惠利耶這三位科學家，以表彰他們在研究“阿秒光脈沖”方面所做出的貢獻。也許你是第一次聽到“阿秒”這個詞，它是什么意思呢？為什么阿秒光脈沖這一科學成果能夠獲得諾貝爾獎呢？看完這篇文章，你就能知道答案。

也許你沒聽說過“阿秒”，但你很有可能聽說過“毫秒”“微秒”和“納秒”。1毫秒就是千分之一秒，1微秒是千分之一毫秒，1納秒是千分之一微秒。其實，阿秒和它們一樣，也是時間單位，只是比它們還要小得多！

阿秒是一個極其小的時間單位，1阿秒等于10-18秒。阿秒到底有多短，我們可以通過比較來認識：目前，我們可以觀測到的最長的時間尺度是我們宇宙的年齡，大約為140億年（約0.4x1018秒）。1阿秒比上1秒，就相當于1秒比上整個宇宙的年齡。阿秒是如此短暫，以至于它超越了我們日常生活中可以感受到的時間尺度，而直接進入了微觀世界的尺度。而有了阿秒光脈沖，我們就可以在實驗中“親眼”看到微觀世界。

在進入神秘陌生的微觀世界前，讓我們先通過日常生活經驗進行想象——想象你在用相機拍攝一個非常快速的動作，比如梅西射門時足球飛出的一剎那。當你按下相機的快門按鈕時，快門會打開，讓光線通過鏡頭進入相機，照射在感光元件上，形成一張照片。快門打開的時間長度就是快門速度。例如，千分之一秒的快門速度，表示快門打開的時間是千分之一秒。相機的快門速度必須非常快，才能捕捉到射門這一瞬間。如果快門速度太慢，那么足球就會移動很大的距離，因此在照片上，足球會變成模糊的一條軌跡。

在綠茵場上，職業足球運動員射門時的球速高達每小時100多千米。這個速度已經很快了，然而在原子內部，電子的運動速度更加驚人。在電場或磁場的影響下，比如在粒子加速器中，它的速度可以接近光速！我們用普通照相機的快門，只能給足球比賽拍照；想要給電子這樣的微觀粒子拍照，我們就需要用到阿秒光脈沖。

阿秒光脈沖，就是我們探索微觀世界的“超級快門”。和普通相機的快門原理一樣，只不過它能用來“拍攝”原子、分子甚至更小的電子。這些粒子的運動速度超級快，所以我們需要阿秒這樣的“超級快門”才能“看清”它們。

簡單來說，光脈沖就是一次閃光，你可以將阿秒光脈沖想象成一個極快的閃光燈。你知道怎么拍攝高速攝影嗎？比如，一個爆米花在瞬間爆開的視頻，就是用高速攝影機拍攝的。攝影師使用特制的專業相機，在一秒鐘內拍攝了上千張照片，然后把這些照片快速播放，就能看到爆米花瞬間爆開的清晰視頻。

阿秒光脈沖就是這樣一種“閃光燈”，只不過它可以閃得更快，快到能在一秒鐘內閃爍上百億億次——這就是阿秒的概念。當科學家們研究原子或電子等微小粒子時，他們就會使用阿秒光脈沖作為“閃光燈”，瞬間照亮這個微觀世界。因此，探測器就會“拍到”這些粒子在不同光脈沖下的狀態，比如位置、速度、能量等，就像拍攝一系列照片。科學家們把這些“照片”連續播放，就能看到電子等粒子在阿秒時間尺度上的運動和變化，就像看高速攝影一樣。這對于理解物質是如何工作的，以及開發新的科技，比如更好的電子設備、新型藥物等都非常有幫助。

那么，阿秒光脈沖能夠“拍到”些什么呢？

阿秒光脈沖可以幫助我們觀察化學反應中電子的運動過程，甚至能夠幫助我們看到電子是如何在原子之間“跳躍”的。就像我們可以用高速攝像機來記錄和分析運動員的動作一樣，阿秒光脈沖不僅可以幫助我們“看到”電子在化學反應中是如何移動的，有時還可以控制這個過程。

阿秒光脈沖可以幫助我們更好地理解光電池和納米材料是如何工作的。比如，我們可以“看到”電子在光電池中是如何流動的，這對于設計更高效的光電池非常重要。

阿秒光脈沖可以測量超導體中的電子對，幫助我們更好地理解超導體的工作原理，也許可以徹底揭開超導的秘密。超導體是一種在極低溫下電阻為零的材料，電流可以在其中無損耗地流動，這對于制造高效能電器、磁懸浮列車等有著重要應用價值。

對于量子計算機來說，阿秒光脈沖更是至關重要。因為量子計算機的工作原理就是通過操控微觀粒子的狀態來進行計算，而阿秒光脈沖可以作為一種精確的工具，像鑷子一樣，用來操控電子和光子。這把“微型鑷子”還可以用來分析DNA和蛋白質結構、幫助醫學工作者研發新藥、治愈癌癥這樣的疑難雜癥。

隨著科學技術的發展，阿秒光脈沖的應用領域將會越來越廣，它將不僅僅局限于光學，還會被應用到物理學、化學、電子學等更多領域。

在人類已知的時間單位中，比阿秒還小的只剩下仄秒（10-21秒）和幺秒（10-24秒）。雖然這些超短時間尺度在理論上存在，但目前我們還未能在實驗中直接測量到這樣的時間尺度。這些時間尺度是如此之短，以至于它們主要用于描述基本粒子（如夸克和輕子）以及強相互作用和電弱相互作用等基本力的動態過程。

加油吧，少年！也許等你長大了，將會攻克仄秒光脈沖和幺秒光脈沖這樣的技術難關！