发明世界“最快的相机”，诺奖得主复旦开讲丨浦江科学大师讲坛

“阿秒是10的负18次方秒，而1阿秒是多快？”

4月18日上午，第十四期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学相辉堂举行。诺贝尔物理学奖得主、瑞典隆德大学教授、瑞典皇家科学院院士安妮·吕利耶（Anne L'Huillier），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面对面畅谈。这是她第一次到访中国。

2023年，她与皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）共同荣获诺贝尔物理学奖，以表彰他们“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”。这项开创性发现推动了超快激光科学和阿秒物理的进步，让人们得以对微观世界的原子、分子和固体中的电子运动开展观测并成像。

发明超快“相机” 捕捉电子的舞蹈

如果一只鸟儿以每秒1米的速度掠过天空，我们可以轻松用眼睛追随它。但如果换作一颗击穿苹果的子弹，它的速度快到用肉眼无法捕捉，只有借助高速摄像机，使用慢动作回放，我们才能看清苹果破裂的瞬间。

相比之下，自然界微观世界的粒子运动更快。以氢原子为例，其电子绕原子核运动一周的时间大约是150乘以10-18秒，即150阿秒。

1阿秒有多短？吕利耶打了一个比方，目前可以观测到的最长时间尺度是宇宙的年龄，大约为140亿年。1阿秒比1秒，就相当于1秒比整个宇宙年龄的长短。

要看清原子内电子的运动，就需要曝光时间短至阿秒量级的超快“照相机”。阿秒激光脉冲，就是这样的相机闪光灯。可是，制造阿秒量级的超快光脉冲极为困难。根据物理规律，超短光脉冲往往包含宽范围的频率分布。长期以来，如何获得可控的宽带光谱，并将其压缩成稳定的超短脉冲，一直是超快光科学的重要挑战。

上世纪80年代末，当时还是法国萨克雷核研究中心年轻研究员的吕利耶，意外下找到了解决这一问题的办法。在一次实验中，她用一束普通的红外激光去照射气体，意外发现了一种现象：气体发出了一种“光的泛音”。就像你弹一下吉他弦，它不但发出基音，还发出更高频率的泛音。这里，气体发出的“泛音”是极紫外光，而且这些泛音叠在一起，在时间上竟然形成了一连串极短的光闪，短到只有阿秒级别。

这就是“高次谐波”现象。高次谐波之所以能产生阿秒光脉冲，是因为它在频率上覆盖了极宽的“光谱带宽”，根据数学中的傅里叶变换，宽的带宽在时间上对应着极短的脉冲。

“让我们一起来看这张‘三步模型’示意图。”在现场，吕利耶展示了高次谐波效应产生的经典物理图像。她解释，在强激光场中，一个电子从原子中被“拽出”、加速、最后撞回原子核并释放高能光子，在这一过程中，每次回撞会产生一个阿秒光脉冲。

发现高次谐波效应之后，吕利耶发表了一系列文章，继续探索这一现象。它像一个意外的礼物，让吕利耶等科学家拥有了阿秒光脉冲，得以逐步创造出梦寐以求的“超高速相机”。

随着近20年科技的快速发展，尤其是飞秒和阿秒激光技术以及相关探测技术的发展。科学家们已经具备了非常先进的阿秒脉冲产生和测量技术，实验室可以获得脉宽接近甚至短于20阿秒的光脉冲

“通过神奇的阿秒光脉冲，我们得以看见并认识微观世界。”然而，从观察微观世界的粒子运动，到理解规律，再到利用这些规律来改造微观世界，仍然是一个漫长的过程。正如吕利耶所言：“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。”

阿秒级光脉冲 开启微观世界新纪元

在阿秒级光脉冲发现之前，科学家对微观世界超快过程的观测极限，停留在“飞秒”尺度。

1飞秒又有多快？它是1秒的一千万亿分之一，是10-15秒。凭借飞秒激光这一“超级快门”，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。正是这项突破，为哈迈德·泽维尔（Ahmed H. Zewail）赢得了1999年的诺贝尔化学奖，掀起了第一次“超快革命”。

然而，在原子内部，电子的运动速度比原子核快千倍，其运动的时间尺度是更短的“阿秒”级别。用飞秒“快门”去捕捉电子，得到的只是一片模糊的拖影。想要真正捕捉电子的动态，时间分辨率必须实现从飞秒到阿秒的三个数量级的终极跨越。

阿秒激光脉冲的诞生，正是一场更深刻的“超快革命”。其最深远的影响，不止于突破观测极限，更在于它将百年物理难题，即光电效应中电子的“瞬时”发射，转变为了一个可观测、可测量的科学课题。

通过阿秒精度的“泵浦-探测”实验，科学家证实光电效应并非绝对瞬时，不同条件下电子逸出存在几十至几百阿秒的延迟。这一延迟源于电子与原子核的复杂相互作用及量子隧穿效应。如今，电子发射时间已成为可精确定量的物理参数。阿秒技术不仅将爱因斯坦的“光子”概念拓展为动态过程，让微观世界的时间维度真正向人类敞开。

“阿秒脉冲就像一台超级相机，能让我们观测到许多电子运动的现象。”吕利耶指出。这不仅仅是观测工具的升级，更是对物质基本相互作用认知的颠覆。

与飞秒技术带来的革命一样，阿秒技术也或将改变世界。“阿秒物理学的理念是，首先能够“观看”原子分子在电子发射初始阶段的运动。一旦我们能‘观看’，也许下一步就能去‘控制’它们。”这意味着，人类对微观世界的干预，正从被动观察迈向主动操控的新境界。

如今，阿秒科学已成为汇聚多学科智慧的前沿阵地，持续驱动源头创新。在物理学中，它正帮助科学家破解高温超导、量子材料背后的电子奥秘；在化学与生物医学领域，它让直接观测电荷转移、DNA辐射损伤机制成为可能，为理解生命过程和研发新药提供了革命性的工具；在工业领域，基于阿秒的极紫外光源已开始用于纳米级半导体结构的无损检测，为下一代电子产品的制造保驾护航。

面对未来，吕利耶充满期待，也保持着科学家的审慎。她表示，从观察到理解，再到最终控制与利用，这是一个需要不断探索新事物的过程，而这正是科学研究最核心、最持久的驱动力。

“不断学到新的东西 是我前进的动力”

从法国原子能委员会的年轻研究员，到辗转瑞典、美国做博士后，再到最终在隆德大学建立起自己的研究团队，吕利耶的职业轨迹一步一个脚印，坚实而丰富。

“我的性格是比较坚韧的，而且在研究过程中能不断学到新的东西，这是我前进的动力。”她笑着说道。也正因如此，2023年的诺贝尔物理学奖，对吕利耶而言更像是对一段工作长期积累的确认，而不是对某一个瞬间的突破的表彰。

吕利耶既是一名科学家，也是一名老师。获奖那天，吕利耶当时正在给一百多名学生上课，接到消息后，她并没有中断教学，而是将课程完整收尾。“这些学生也成为了我获奖经历的一部分。”而当话题转到科研与教学的关系时，她也明确表示：“教学占据了我全部工作的一半以上。”在她看来，研究并不是只停留在论文和实验室里，教学可以把我们的研究成果落到实处，还能激发下一代年轻学者对科学的热情和爱好。

而谈到具体的研究经验，吕利耶特别分享了那些不按预期发生的时刻——实验结果和理论不一致，并不意味着失败，反而可能是新的科研入口。“比如在1987年的时候，我们当时只是想发现荧光反应，但是意外观察到了高次谐波，我认为这个故事展现了真实实验的重要性。理论和实验同样重要，这两者要互相结合。

有现场观众把问题抛向更远的未来：“您觉得阿秒脉冲可能会对我们的生活在未来十年带来什么样的变化？”在吕利耶看来，相关技术在化学和物理学等领域已经出现了一些应用案例，在集成电路检测等工业生产中也有潜力，但整体来看，阿秒技术的大规模推广落地“还需要时间和更多的观察”。

“现在我国很多学生都会前往欧洲深造，您怎么看待这个现象？”被问及这个问题时，曾有过多国学习研究经历的吕利耶则表示，自己在法国、瑞典、美国等不同环境中工作带来的感受是，这些经验会带来思维方式的拓展，“我非常鼓励在座的学生来到瑞典或者其他欧洲国家深造。”

身为全球第五位诺贝尔物理学奖女性得主，吕利耶的获奖证明了女性科学家的巨大潜力。“我已经作过很多次讲座，以往提问的人里男性比例都比较高，但今天在这里，我发现积极参与发言的很多都是女生，”问答环节的末尾，吕利耶给出了自己身为女性科研工作者的敏锐观察，“我认为女性多投身科学事业是非常好的趋势，请大家坚持下去。”