欧阳峰

在自然科学中，我们会遇到各种时间尺度。最长的时间是宇宙寿命，目前的共识是一百三十亿年，也就是4乘10的17次方秒。而最小的时间尺度是所谓普朗克时间，5乘10的负44次方秒。那是目前物理理论所能研究的极限。这两个极限之间差了61个数量级。

不同时间尺度需要不同的研究方法。在最大的时间尺度，我们通过大爆炸的遗迹——背景辐射来追寻宇宙的历史。这方面的工作得了好几个诺贝尔奖，最近一次是2019年（见我的介绍：https://blog.creaders.net/u/1030/202008/383002.html）。

而极小的时间尺度，目前仍然是物理测量技术的前沿。上一个里程碑，是获得1999年诺贝尔化学奖的飞秒（10的负15次方秒）频谱研究。而2023年诺贝尔物理奖，就是嘉奖突破了阿秒级（10的负18次方秒）物理测量技术的三位科学家：皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮·吕利耶（Anne L’Huillier）。

按照量子力学理论，时间尺度与能量尺度是紧密相关的。在原子物理中，涉及的能量通常在几百到几千电子伏。其对应的波函数震荡周期就在１０阿秒到１阿秒。所以，要给原子物理过程“拍照”，我们就需要阿秒尺度的照相机和闪光灯。2023年获奖的工作，就是开发和应用了这种时间超短而且功率超高的光学脉冲。

按照傅里叶变换理论，极短的脉冲意味着极宽的频谱。但目前高强可控的光学辐射都是由激光而来的。怎样把单色的激光变成频谱极宽的超短脉冲呢？在1987年，获奖者吕利耶发现，用高强度红外激光照射某些介质会产生很多更高频率的谐波，一直延伸到极紫外波段。而这些谐波就有望组合成超短光脉冲。在后来的十多年中，人们对这种现象的机制有了进一步观测和理论分析。终于在2001年，获奖者阿戈斯蒂尼和克劳斯分别成功产生了250阿秒宽度的重复脉冲和650阿秒宽度的单个脉冲。因为它们是由谐波合成的，所以那些重复脉冲与“输入”的红外激光有固定的相位关系：在红外光的每个周期（飞秒尺度）都有一个或两个极紫外波段的阿秒级脉冲。又过十多年后，光脉冲宽度降到了几十阿秒。同样尺度的电子脉冲也实现了。我们终于有了探测原子中电子运动的工具。

除了产生超短脉冲，获奖者们在应用方面也做了很多工作。要观察原子中电子的跃迁行为，我们的观察还需要与电子运动同步。幸运的是，因为我们有相位锁定的两束光（红外激光和阿秒脉冲），我们可以用阿秒脉冲来触发某种过程（如电离），而用红外激光与电子的相互作用作为探头。电子被阿秒脉冲踢出原子内层，然后在红外激光的“引导”下吸收或放出红外波段的光子。通过测量最终电子的速度或动能，我们就知道它与红外激光互动的情况。然后我们可以改变阿秒脉冲与红外激光的相位关系，观察电子的反应。这样就间接观察到电子被激发后的运动过程。另一种方法是用一个阿秒脉冲来触发，而观察受激电子与稍后另一个阿秒脉冲的相互作用。还有一些巧妙的实验设计，让我们能“拍摄”到原子内阿秒级电子活动的“影片”。这些技术都涉及多个光子的吸收和发射，不是我们熟悉的光谱测量。其中的理论分析也非常烧脑。

如果我们激发原子内层电子并记录它飞到外部的“旅程”，它就成了我们的“探针”，揭示了飞行途中其它电子和临近原子的状态。这样，我们观察物质结构和化学反应过程就多了一个工具。同样，超短脉冲也能作为观察固体内电子态的工具，让材料科学如虎添翼。

除了作为测量工具，超短脉冲也可以用来操控。一组精密同步的阿秒脉冲“交响曲”可以触发不可能自然发生的化学反应。阿秒脉冲也可能被用来控制集成电路芯片里的电子运动，把现在的运算速度提高几个数量级。当然目前这些还都是想象，要付诸实际还有很多技术难关要克服。

阿秒脉冲也带来很多理论上的挑战。阿秒脉冲本身是非线性光学的产物，也得益于后者的理论突破。反过来，它在时间上的高度集中提供了更高的瞬时功率，从而为非线性光学实验提供了新工具。阿秒尺度实验的设计和结果解释也需要高深的量子物理和半经典物理分析。所以，可以说阿秒脉冲为非线性光学开辟了一个新的领域。

阿秒脉冲是本世纪出现的，目前还处于发展阶段。从事这方面工作的实验室也还不多。2023年的诺贝尔奖，更多是认可了这个领域的前途。目前除了发展各种应用之外，人们也已经开始向更小的时间尺度（仄秒，10的负21次方秒）进军。希望这个物理 “新疆界” 的推进，会为我们研究原子物理，化学和材料科学带来更强大更精细的工具。