阿秒：時間新尺度

說到極短的時間，大家可能會想起電光石火、曇花一現(xiàn)、稍縱即逝、彈指之間等詞語，但是這些詞語都難以準確描述人類目前已知的最短時間尺度——阿秒。阿秒有多短？一阿秒等于一百億億分之一秒。一秒的時間里，光大約可以前進30萬千米；而一阿秒的時間里，光只能前進約0.3納米。

物質(zhì)由分子、原子、電子等不同層次的微觀粒子組成。在研究這些微觀粒子運動狀態(tài)的過程中，科學家先后發(fā)現(xiàn)了毫秒、微秒、納秒、皮秒和飛秒的級別，在皮秒的時間尺度中可以觀測到分子的運動，在飛秒的時間尺度中可以觀測到原子的運動。而在構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子中，電子的運動速度是最快的，在從毫秒到飛秒的時間尺度中難以實時觀測電子的運動。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼等三位物理學家發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生極短光脈沖的方法，即阿秒脈沖。這種方法可以用于測量原子內(nèi)部的電子運動和改變能量的快速過程，為人類探索電子世界提供了新工具——阿秒激光。這種激光是科學家利用非線性光學原理創(chuàng)造出來的，通過高強度激光與氣體相互作用生成：高強度激光通過氣體，從氣體分子中提取電子之后使它們重新合并，從而產(chǎn)生阿秒時間尺度的X射線或極紫外線脈沖。這是科學發(fā)展史上的重大突破。科學家通過這個“超高速攝像機”可以像觀看電影慢動作回放鏡頭一樣，觀察電子在原子內(nèi)部的運動，讓觀測電子運動成為現(xiàn)實。

科學家預計阿秒激光能在科學領(lǐng)域大顯身手，比如在物理學領(lǐng)域，阿秒激光可以讓科學家對材料性質(zhì)的研究深入物理學更本質(zhì)的層面；在超導領(lǐng)域，阿秒激光可以幫助科學家觀察電子和超導材料其他部分的晶體的相互作用過程，了解超導材料能產(chǎn)生超導現(xiàn)象的原因，制造出更新型的超導材料；在航天領(lǐng)域，太空高能離子輻射會造成航天材料的損傷，阿秒激光能在損傷最開始時捕捉到航天材料微觀世界的細微變化，有助于科學家了解損傷的機理，制造更好的材料保護航天器；在化學領(lǐng)域，科學家有望通過阿秒激光精確設計和控制化學反應的方向，減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生；在醫(yī)學領(lǐng)域，阿秒激光可以篩選出癌癥早期患者，精確診斷和治療微觀病灶；在計算機領(lǐng)域，阿秒激光可以幫助人們設計、制造更強大的計算機芯片，從而實現(xiàn)更快速度的量子計算。

2025年1月10日，在廣東省東莞市，國家重大科技基礎(chǔ)設施——先進阿秒激光設施正式開工建設。這個具有世界先進水平的綜合性超快電子動力學研究設施建成后，將成為亞洲首個、世界第二個阿秒激光大科學裝置，覆蓋從納米-軟X射線到毫米-太赫茲全波長，可以跟蹤、測量與操控電子運動，開展超高時間分辨、空間分辨、能量分辨的光、電、磁、熱綜合實驗。這個設施能幫助科學家深入探索物質(zhì)狀態(tài)的演化規(guī)律，為我國在科學前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破提供關(guān)鍵技術(shù)保障，為研究物理、化學、材料、信息、生物醫(yī)學等學科中的重大科學問題提供全新的技術(shù)手段。

人們在形容效率極快的時候常說“分秒必爭”。在人類對時間的定義精確到阿秒的現(xiàn)在，科研和生產(chǎn)開啟了“阿秒必爭”的新時期。