诺奖得主与沪上大中学生畅谈发明世界上“最快的相机”

“阿秒是10的负18次方秒，而1阿秒是多快？”

昨天（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。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，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·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯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”。

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秒相当于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。

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。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。”

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。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。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。

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。

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，“不断学到新的东西 是我前进的动力”。

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”》

本文作者：新民晚报 张炯强