诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”

免费影视、动漫、音乐、游戏、小说资源长期稳定更新！ 👉 点此立即查看 👈

阿秒：捕捉电子运动的“超级快门”

阿秒是10的负18次方秒，一个人类几乎无法直观感知的时间单位。

4月18日，第十四期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学相辉堂举行。2023年诺贝尔物理学奖得主、瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶以“阿秒脉冲的探索之旅”为题，与上海市高校及中学师生代表进行了深度交流。这也是她首次到访中国。

2023年，她与皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯共同荣获诺贝尔物理学奖，获奖理由是“为研究物质中电子动力学而开发出产生阿秒光脉冲的实验方法”。

从飞鸟到子弹：为何需要阿秒？

想象一只鸟以每秒1米的速度飞过，人眼可以轻松追踪。但若换成一颗击穿苹果的子弹，其高速运动细节必须依赖高速摄像机的慢放才能解析。

然而，微观粒子的运动速度远超宏观物体。以最简单的氢原子为例，其电子绕核一周的时间，大约仅为150阿秒。

1阿秒究竟有多短？吕利耶教授给出了一个形象的对比：目前可观测宇宙的年龄约为140亿年。1阿秒相对于1秒的比例，相当于1秒相对于整个宇宙年龄的长度。这种极致的尺度差异，揭示了阿秒物理世界的深邃。

要清晰观测原子内部电子的瞬时行为，就需要曝光时间短至阿秒量级的超快“相机”。阿秒激光脉冲，正是这台相机的核心“闪光灯”。但制造如此短暂的光脉冲，曾是物理学界长期面临的严峻挑战。

意外的礼物：高次谐波与阿秒脉冲的诞生

转机出现在上世纪80年代末。当时，作为法国萨克雷核研究中心一名年轻研究员，安妮·吕利耶在一次实验中意外发现了关键线索。她用一束红外激光照射气体，观测到气体发出了一种奇特的“光的泛音”。

这类似于弹奏吉他时，琴弦不仅产生基频，还会激发一系列更高频率的泛音。实验中，气体发出的“泛音”是极紫外光。更重要的是，这些不同频率的泛光在时间维度上叠加，形成了一连串持续时间极短的光闪，其脉宽达到了阿秒级别。

这一现象被称为“高次谐波”产生。其物理原理在于，宽的频谱带宽（由高次谐波提供）通过傅里叶变换，对应着时间上极短的脉冲。这个意外发现，为科学家打开了一扇通往阿秒世界的大门，使得构建“超高速相机”成为可能。

经过近二十年的技术积累与快速发展，尤其是飞秒与阿秒激光技术的突破，科学家如今已能产生并测量相当先进的阿秒脉冲。在实验室条件下，脉宽接近甚至短于20阿秒的光脉冲已成为现实。

从“看见”到“理解”：阿秒科学的深远影响

“借助阿秒光脉冲，我们得以看见并认识微观世界。”然而，从观察粒子运动，到理解其背后规律，再到最终利用这些规律，依然是一条漫长的道路。正如吕利耶教授所分享的：“我从事这个领域的研究工作已经大约40年了，在这个过程中，我们不断看到并学习新事物。未来，我们还将朝着阿秒物理学的更深处迈进。”

在阿秒级光脉冲问世前，科学家观测微观世界超快过程的极限停留在“飞秒”尺度。1飞秒是1秒的一千万亿分之一。凭借飞秒激光这把“快门”，科学家得以“拍摄”化学反应中原子核的振动、化学键的断裂与形成。

然而，原子内部电子的运动速度比原子核快上千倍，其时间尺度属于更短的“阿秒”级别。用飞秒“快门”捕捉电子，只能得到模糊的拖影。因此，阿秒激光脉冲的诞生，标志着一场更为深刻的“超快革命”。其核心意义不仅在于突破了观测极限，更在于它将百年物理难题——例如光电效应中电子“瞬时”发射的谜团——转变为了一个可以实际观测和测量的科学课题。

汇聚多学科智慧的前沿阵地

如今，阿秒科学已发展为一个汇聚物理学、化学、生物学及材料科学智慧的前沿交叉领域，持续驱动着源头创新。

在物理学前沿，它正帮助科学家窥探高温超导、奇异量子材料背后复杂的电子行为奥秘。在化学与生物医学领域，阿秒技术使得直接观测电荷转移过程、揭示DNA辐射损伤的微观机制成为可能，为理解生命本质和研发新型药物提供了革命性的工具。在工业应用层面，基于阿秒技术的极紫外光源，已开始用于纳米级半导体结构的精密无损检测，为下一代更小、更快电子产品的制造工艺提供关键支持。

面对未来，吕利耶教授既充满期待，也保持着科学家特有的审慎。她指出，从观察到理解，再到最终的控制与利用，这是一个需要持续探索的过程。不断发现新知，正是推动整个阿秒物理学领域向前发展的核心动力。

原标题：《诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”》