探索微观世界的“超级快门”

2023年诺贝尔物理学奖，授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·卢·惠利耶这三位科学家，以表彰他们在研究“阿秒光脉冲”方面所做出的贡献。也许你是第一次听到“阿秒”这个词，它是什么意思呢？为什么阿秒光脉冲这一科学成果能够获得诺贝尔奖呢？看完这篇文章，你就能知道答案。

也许你没听说过“阿秒”，但你很有可能听说过“毫秒”“微秒”和“纳秒”。1毫秒就是千分之一秒，1微秒是千分之一毫秒，1纳秒是千分之一微秒。其实，阿秒和它们一样，也是时间单位，只是比它们还要小得多！

阿秒是一个极其小的时间单位，1阿秒等于10-18秒。阿秒到底有多短，我们可以通过比较来认识：目前，我们可以观测到的最长的时间尺度是我们宇宙的年龄，大约为140亿年（约0.4x1018秒）。1阿秒比上1秒，就相当于1秒比上整个宇宙的年龄。阿秒是如此短暂，以至于它超越了我们日常生活中可以感受到的时间尺度，而直接进入了微观世界的尺度。而有了阿秒光脉冲，我们就可以在实验中“亲眼”看到微观世界。

在进入神秘陌生的微观世界前，让我们先通过日常生活经验进行想象——想象你在用相机拍摄一个非常快速的动作，比如梅西射门时足球飞出的一刹那。当你按下相机的快门按钮时，快门会打开，让光线通过镜头进入相机，照射在感光元件上，形成一张照片。快门打开的时间长度就是快门速度。例如，千分之一秒的快门速度，表示快门打开的时间是千分之一秒。相机的快门速度必须非常快，才能捕捉到射门这一瞬间。如果快门速度太慢，那么足球就会移动很大的距离，因此在照片上，足球会变成模糊的一条轨迹。

在绿茵场上，职业足球运动员射门时的球速高达每小时100多千米。这个速度已经很快了，然而在原子内部，电子的运动速度更加惊人。在电场或磁场的影响下，比如在粒子加速器中，它的速度可以接近光速！我们用普通照相机的快门，只能给足球比赛拍照；想要给电子这样的微观粒子拍照，我们就需要用到阿秒光脉冲。

阿秒光脉冲，就是我们探索微观世界的“超级快门”。和普通相机的快门原理一样，只不过它能用来“拍摄”原子、分子甚至更小的电子。这些粒子的运动速度超级快，所以我们需要阿秒这样的“超级快门”才能“看清”它们。

简单来说，光脉冲就是一次闪光，你可以将阿秒光脉冲想象成一个极快的闪光灯。你知道怎么拍摄高速摄影吗？比如，一个爆米花在瞬间爆开的视频，就是用高速摄影机拍摄的。摄影师使用特制的专业相机，在一秒钟内拍摄了上千张照片，然后把这些照片快速播放，就能看到爆米花瞬间爆开的清晰视频。

阿秒光脉冲就是这样一种“闪光灯”，只不过它可以闪得更快，快到能在一秒钟内闪烁上百亿亿次——这就是阿秒的概念。当科学家们研究原子或电子等微小粒子时，他们就会使用阿秒光脉冲作为“闪光灯”，瞬间照亮这个微观世界。因此，探测器就会“拍到”这些粒子在不同光脉冲下的状态，比如位置、速度、能量等，就像拍摄一系列照片。科学家们把这些“照片”连续播放，就能看到电子等粒子在阿秒时间尺度上的运动和变化，就像看高速摄影一样。这对于理解物质是如何工作的，以及开发新的科技，比如更好的电子设备、新型药物等都非常有帮助。

那么，阿秒光脉冲能够“拍到”些什么呢？

阿秒光脉冲可以帮助我们观察化学反应中电子的运动过程，甚至能够帮助我们看到电子是如何在原子之间“跳跃”的。就像我们可以用高速摄像机来记录和分析运动员的动作一样，阿秒光脉冲不仅可以帮助我们“看到”电子在化学反应中是如何移动的，有时还可以控制这个过程。

阿秒光脉冲可以帮助我们更好地理解光电池和纳米材料是如何工作的。比如，我们可以“看到”电子在光电池中是如何流动的，这对于设计更高效的光电池非常重要。

阿秒光脉冲可以测量超导体中的电子对，帮助我们更好地理解超导体的工作原理，也许可以彻底揭开超导的秘密。超导体是一种在极低温下电阻为零的材料，电流可以在其中无损耗地流动，这对于制造高效能电器、磁悬浮列车等有着重要应用价值。

对于量子计算机来说，阿秒光脉冲更是至关重要。因为量子计算机的工作原理就是通过操控微观粒子的状态来进行计算，而阿秒光脉冲可以作为一种精确的工具，像镊子一样，用来操控电子和光子。这把“微型镊子”还可以用来分析DNA和蛋白质结构、帮助医学工作者研发新药、治愈癌症这样的疑难杂症。

随着科学技术的发展，阿秒光脉冲的应用领域将会越来越广，它将不仅仅局限于光学，还会被应用到物理学、化学、电子学等更多领域。

在人类已知的时间单位中，比阿秒还小的只剩下仄秒（10-21秒）和幺秒（10-24秒）。虽然这些超短时间尺度在理论上存在，但目前我们还未能在实验中直接测量到这样的时间尺度。这些时间尺度是如此之短，以至于它们主要用于描述基本粒子（如夸克和轻子）以及强相互作用和电弱相互作用等基本力的动态过程。

加油吧，少年！也许等你长大了，将会攻克仄秒光脉冲和幺秒光脉冲这样的技术难关！