在百亿亿分之一秒的瞬间，凝视这个世界

科学家们正以越来越精细的时间尺度窥探物质的成分。图 源：KNO WABLE MAGAZINE

导读：

一阿秒（attosecond）对于人类来说转瞬即逝，但对电子、原子和分子来说，绝非如此。个中奥秘，激光科学家们正在揭示。

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Ivan Amato| 撰文

瞿立建| 翻译

寂寞帅猫 | 校译

几乎所有小时候玩过捉迷藏的人都会记得，他们（假装）蒙着眼睛以“一一千”（one-one-thousand）为单位数数：“一一千，二一千，三一千。”[1] 这是培养对一秒时长感知的一种方式。如果你活到 80 岁，你将经历 2,522,880,000 秒，但没有任何一秒会让人觉得时间很长。

当你思考时间时，通常以很多秒为单位，比如分钟、天和年，不会觉得短于一秒的时间值得细想掂量，除非你是世界级运动员——十分之一秒、百分之一秒甚至千分之一秒的差距可能意味着赢得或失去奥运金牌。

请你展开想象，想象在越来越短的时间间隔里，世界会发生什么。如果你有一台时间显微镜，可以像光学显微镜、电子显微镜和扫描隧道显微镜放大观察的物体那样去放大时间，观察越来越精细的空间维度，甚至精确到原子尺度，那么，你会看到什么？

欢迎来到这样一个科学家的世界。这些科学家研究的是当今科学发展最快的领域——阿秒科学（attoseconds），其中一些人甚至赢得了诺贝尔奖。

借助激光科学技术的进步，他们专注于研究分子、原子和电子在更精细的时间尺度上的行为——从百万分之一秒（微秒）到十亿分之一秒（纳秒），从万亿分之一秒（皮秒）到千万亿分之一秒（飞秒），乃至百亿亿分之一秒（阿秒）。

正是在阿秒级的时间尺度上，许多物理学和化学的“幕后机制”得以发生并可以被探索。光和电子进行着大量极其迅速而复杂的相互作用，在这一过程中能量被不断吸收与释放，从而得以重新分配。这个时间尺度为许多化学怪象的上演搭好了舞台：例如电子在高能激发态和低能态之间转换，以及分子从反应物转变为产物。在这些瞬间，一个化学环可能会打开，一个电子可能会飞出并留下一个带正电的离子，或者一个光子发射出去，所携带的光谱信息能帮助科学家弄清楚刚刚发生了什么。

这些隐藏在背后的微观过程支撑着一切：从叶片中的光合作用、视觉的光物理机制，到化学键的形成与断裂——正是这些成键与断键的过程，构成了市场规模达数万亿美元的化学工业的基础。

对于那些使用最先进的激光系统和光探测器来捕捉微小环境中极快发生事件的人来说，即使是一微秒或一纳秒也可能显得非常漫长。当你能在阿秒的时间范围内观察分子和化学反应时，“会有一个广阔的空间向你敞开”，加州大学伯克利分校的物理化学家斯蒂芬·莱昂（Stephen Leone）说，他最近在《物理化学年鉴 》（

Annual Review of Physical Chemistry

1阿秒写出来是这样的：0.0000000000000000001秒（10⁻¹⁸ 秒）。这是十亿分之一秒的十亿分之一。阿秒迷们有时会抛出一个令人惊叹的知识点：一秒钟所包含的阿秒数量，与宇宙大爆炸以来滴答作响的秒数一样多！也就是说，你厨房里的挂钟每滴答1秒，就过去了无尽的阿秒。关于阿秒，还有一个令人震惊的事实：光以不可思议的每秒18.6万英里（约合30万公里）的速度飞驰，但在1阿秒内只能穿过一个原子的宽度。

图说：宇宙已经度过了一百亿亿个心跳的时间，而在每一次心跳中，又包含着百亿亿个阿秒。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家、前美国国家科学基金会原子、分子和光学实验物理项目主任约翰·吉拉斯皮（John Gillaspy）表示，阿秒是原子及其电子的自然时间尺度。

“当你把电子绕核运动想象成小行星绕太阳运行时，”他说，“这个轨道运动的时间尺度大约就在 1 到 1000 阿秒之间。”（他承认，自己经常引用这个20世纪初的原子的隐喻。他有点无奈地说：“如果你试图用量子力学的方式来想象电子和原子核，很可能会感到非常困惑，甚至不安。”）

要进行阿秒科学研究，先要有一台顶级的飞秒激光器，能够产生千万亿分之一秒（10⁻¹⁵秒）的红外脉冲。其次，可能需要一种称为高次谐波产生（HHG）的脉冲缩短技术，以产生波长更短的阿秒激光脉冲。HHG技术的部分开发者因此获得了 2023 年诺贝尔物理学奖 。

莱昂将这些工具和技术应用于所谓的泵浦探测研究。这些研究主要分为两个部分。首先，他和他的团队将氪原子或甲烷分子等气体引入到激光脉冲路径上。这些脉冲携带的光子将与气体原子或分子中的电子相互作用。然后，科学家们在初始脉冲发出之后的不同延迟时间向样品发射阿秒激光脉冲，并仔细测量电磁信号或电子呈现的状态。对这些信号的阿秒级精确监测，相当于制作电子、原子或分子的定格动画。

莱昂用深奥的化学术语列举了一些电子能态和行为的阿秒和飞秒级的快速变化，并通过这些技术得到前所未有的详细观察：不仅包括化学键的断裂，也包括更微妙但同样重要的能量事件，它们可以阻碍反应或推动分子改变形状。

这些现象的理论研究远远领先于实验研究。这些更微妙的行为包括“曲线交叉（curve crossings）”和“锥形交叉点（conical intersections）”，这些术语反映了电子在原子和分子中在能量约束下做出的行为“选择”的数学和几何描述。

比如：某个电子是否拥有足够的能量来断开一个化学键？或者，它是否会更温和地在分子或材料内部释放能量，从而引发成键原子之间的振动，或者将分子的形状从一种异构体转变为另一种异构体？

这些电子在瞬息之间做出的“秘密选择”在生物体内处处留下了痕迹，并可能具有实际应用价值——例如修复断裂的染色体、根据血液中的分子混合物中捕捉化学线索以检测疾病，或设计激光脉冲以合成前所未见的分子。

“我们以前对这些细节一无所知，而现在，我认为我们了解得比以前清晰多了，”莱昂说。他补充道，这为我们诱导电子进行特定的运动以断开特定化学键或引发想要的反应提供了新的思路。

这些操控激光的实验者们常处于寂静昏暗的实验室里，仿佛置身于另一个世界。实验室的中心是一张标志性的减震台，其表面相对地面无任何运动。台面上精心排列着微型巨石阵般的透镜和晶体元件，它们可以移动、分割和重组激光束，压缩或扩展光脉冲，并让脉冲以微小的延迟到达样品和探测器。

沿着这些光学路径传入的是超短激光脉冲，冲向原子和分子样品（来自连接在气罐上的喷嘴或加热晶体）。为防止空气分子吸收那些承载珍贵数据的光或电子信号，这些装置大多必须放置在蒸汽朋克风格的真空室内，以确保信号在抵达探测器和光谱仪之前不被干扰。

正如莱昂实验室的照片所示，进行阿秒科学研究更适合那些技术爱好者。图源Stephen Leone

“这个装置本质上是一台非常复杂的相机，同于拍摄人类目前所能产生的一些最短时间事件。”德国美因茨马克斯·普朗克高分子研究所的理论化学家丹尼尔·基弗 (Daniel Keefer) 说道。基弗是 2023 年 《物理化学年鉴》上一篇关于超快 X 射线和 HHG 在分子探测中的应用的文章的共同作者之一。

基弗的主要工作包括为实验人员计算最适合他们计划进行的研究的激光脉冲能量和其他条件，或者帮助他们推断所收集的光谱数据中隐藏的分子的电子行为。尽管这些研究可能很基础，但他研究的一些现象，如保持基因完整且正常运作，与每个人都息息相关。

想想看，超快激光脉冲与光谱观测的结合，使基弗和同事们能够更好地理解一些生物学界的明星分子（如RNA 和 DNA）如何能够快速耗散入射的紫外线光子的能量，从而避免其造成基因破坏和光化学损伤。这归结于分子内的电子如何温和地释放紫外线能量，回到其最低能量轨道。

“这是防止生物体暴露在阳光下发生潜在光损伤的一种机制，”基弗说道。这些遗传分子“一直在吸收紫外线，但我们不会因此遭受太多的光损伤，因为它们几乎可以瞬间释放能量，这大大降低了 DNA 断裂的风险。”

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要产生阿秒激光脉冲，科学家首先需要用红外激光照射原子气体。激光束会对其经过的每一个原子产生冲击，使电子与红外光波同步来回振动。这迫使电子发射新的光波。但这些光波会以泛音（overtone）的形式发出，就像吉他弦不仅以基频振动，还会以一系列更高频率的谐波振动（或称声学泛音）振动一样。对于红外激光，泛音的频率更高，在阿秒范围内，相当于紫外线甚至 X 射线的波长。

这对阿秒科学家来说是一个巨大的福音。当这些波长的光被压缩成超短脉冲时，它们可以携带足够的能量，使电子在分子框架内迁移，从而影响分子的反应方式。甚至，激光脉冲可以迫使电子完全离开原位，这是电离原子和分子的方式之一。

当今最短的激光脉冲可以观察原子和分子内部的电子行为。三位科学家因发明了能够产生阿秒光脉冲的技术而获得了2023年诺贝尔物理学奖。

吉拉斯皮说，当他想到阿秒级的光脉冲，以及未来更短的脉冲时——如仄秒（zeptosecond，10⁻²¹秒），他的科学梦想不再局限于窥探电子的私密生活，而是转向将更多能量压缩到更短的脉冲中。吉拉斯皮说，如果能做到这一点，脉冲中的能量在极端时间内被放大到天文数字。这就像放大镜能将巴掌大小的一片暗淡阳光聚焦成足以点燃纸张的明亮光斑。

吉拉斯皮表示，只要将足够的激光能量集中到足够短的脉冲中，就有可能直接研究所谓的“量子真空”（quantum vacuum），即空间所能达到的最低能量状态。量子真空目前仅被间接测量过，而且它充满了奇异之处。比如，据推测，这种真空的“虚无”实际上充满了无数“虚”的物质-反物质粒子对，它们快速出现和消失，间隔时间极端极端小，远远小于阿秒。

“如果激光能量足够强，就能在量子真空中将虚粒子彼此分离，使它们成为真实粒子。”也就是说，它们可以被观测到。换句话说，在这些瞬态虚粒子对相互湮灭并消失回归真空之前，分离、探测和测量它们成为可能。“这或许是我们获得基础性发现的时机，”吉拉斯皮说道——尽管他指出，目前产生满足要求的激光强度的能力仍然遥不可及。

科罗拉多大学和美国国家标准与技术研究所联合研究中心（JILA）的物理学家叶军正在利用阿秒物理学来实现另一个听起来难以置信的目标：利用高次谐波产生（HHG）来探测神秘的宇宙物质——暗物质（dark matter）。

尽管科学家们从未在日常生活或实验室中直接探测到暗物质，但他们推测这种物质是存在的，这样才可以解释星系尺度上物质的分布和运动。如果没有暗物质（其丰度远超普通物质）及其宇宙尺度的引力影响，宇宙的结构和运行方式将会截然不同。

如果暗物质理论成立，那么一个诱人的推论是，暗物质（无论它是什么）应该在我们周围也大量存在，因此原则上也可以在实验室中探测到。

叶军希望利用HHG物理学来开发一种名为核光谱（nuclear spectroscopy）的能量测量技术，这种技术特别适合于辨别原子核中细微的能量变化。在这一背景下，HHG自然产生的多种波长的光使得这种光谱技术的分析能力极为强大。叶军表示，这可以使他监测普通物质原子的细微变化，这些变化可能是由此前未知的与暗物质的相互作用引起的。

叶军的计划的核心是一种新型的钟——核钟（nuclear clock）。他和 JILA 及其他单位的合作者一直在研发这种钟。这种钟的滴答声基于核（钍-229 原子核中的一团中子和质子）振荡，而非惯常的原子钟所基于的电子振荡。

“如果暗物质与普通物质相互作用，那么暗物质与原子核中中子和质子的相互作用可能与电子的相互作用不同，”叶军说。如果真是这样，那么比较两种钟的光谱数据就有可能最终揭示暗物质对普通物质一直以来的影响。

“很多重大发现都是这样开始的，”吉拉斯皮说。“突破可能始于物理学家和化学家对一些新事物着迷，比如阿秒现象，然后……你永远无法预料会发生什么，你甚至无法想象。”

注释：

[1] 英文中 “one-one-thousand, two-one-thousand, three-one-thousand （ 一一千，二一千，三一千 ） ”这种数数方式，是美国孩子在玩捉迷藏或鬼捉人 游戏 时常用的一种口头计时方法。它的目的是为了尽量准确地以 “每秒一数”的速度进行倒计时。

作者简介：

伊万·阿马托（Ivan Amato），资深科学撰稿人、图书作者、播客主持人及科学咖啡馆组织者，长期报道的主题涵盖从有毒毛毛虫到冷战时期的机密技术。近期，他开始涉足科学与艺术融合的领域——晶体显微摄影，用以揭示微观世界中隐匿的美。

本文英文标题为“Watching the world, one quintillionth of a second at a time”，2025年6月24日首发于Knowable Magazine，《赛先生》获授权翻译并发布中文译文。

本文转载自《赛先生》微信公众号

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