从画笔到阿秒激光，定格流光瞬息的一段传奇

刘玉柱　陈子昂

“最是人间留不住”，在一幅幅前朝的画卷中，古人用画笔记录下了那个时代的风貌；而现在，运动场上的摄影师连续按下快门，就可以定格比赛中的精彩瞬间。从画卷到运动摄影，越来越快的主体对记录提出了更高的要求。在科学实验中，即使是那些看似寻常的现象，背后都存在着微观层面粒子的复杂运动。为了探究世界的奥秘，科学家用什么来观察这些微观粒子的运动呢？今天我们要介绍的阿秒激光，正是科学家观察微观粒子运动的神兵利器！

阿秒是个什么秒

阿秒激光是一种非常“快”的激光。“快”并不意味着速度快——毕竟光的速度基本上不会有太大差别。这里的“快”，其实指的是激光脉冲超短，短到了阿秒的时间尺度。这里的阿秒（Attosecond，符号为as），对大家来说可能是一个陌生的概念。

我们的心脏在静息状态下跳动一次，大约需要1 秒。而比秒短暂的时间单位，还有很多。例如，毫秒（Millisecond，符号为ms）是10-3秒，即1 秒的千分之一，苍蝇扇动一次翅膀只需要3 毫秒的时间；微秒（Microsecond，符号为μs）是毫秒的千分之一，为10-6 秒，我们在网络上点击一个网页、播放一段视频，在经过数十毫秒后，网络那端的服务器才会收到我们的请求；而纳秒（Nanosecond，符号为ns）则是微秒的千分之一，即10-9 秒，十亿分之一秒对中国空间站的空间冷原子钟来说，意味着50 亿年内它只会发生1 秒的误差；皮秒（Picosecond，符号为ps）又是纳秒的千分之一，达到了10-12 秒，在真空中每秒传输约30 万千米的光，在1 皮秒的时间内也只能走过0.3毫米的路程；飞秒（Femtosecond，符号为fs）更是皮秒的千分之一，也就是10-15 秒，化学家亚米德·齐威尔首次成功地将飞秒脉冲运用于实时观察分子化学反应过程，因此荣获1999 年诺贝尔化学奖。

而阿秒比飞秒更短，仅为10-18 秒！写作小数的话，小数点后需要写17 个0 ！对1 阿秒而言，1 秒的时间像是整个宇宙的年龄一样漫长！在这样短的时间里，连原子内电子的运动，我们都能观察得一清二楚！

追光逐电的阿秒激光

自人类开始研究微观世界以来，科学家一直梦想能够实时追踪能量和电荷在微观粒子体系内的流动，实时观察分子反应、粒子运动的中间过程。超快激光脉冲出现后，才使得人们的梦想得以实现。那么，什么是超快激光脉冲？没有眼睛的超快激光脉冲又是怎么“看”到微观粒子超快运动的呢？

要明白超快激光探测的原理，我们可以拿相机拍照来举例。1878 年，为了解决“马在奔跑时是否会四蹄同时离地”这一争论，美国摄影师爱德沃德·迈布里奇通过依次触发12 台相机快门的方式回答了问题——在短暂间隔内所拍摄的那些照片中，马的四蹄确实存在同时离地的瞬间。试想一下，如果两台相机拍照的时间间隔太长，则可能错过马蹄同时离开地面的那个瞬间。也就是说，只要快门之间的间隔足够短，就能更轻松地捕捉到运动速度快的瞬间。

阿秒激光就像是這样一台拥有超短快门的“照相机”。以超快光学研究中常用的泵浦- 探测技术为例，实验中，泵浦光脉冲与探测光脉冲以先后时间到达被探测对象，在泵浦光将探测对象激发后，由可调谐时间延迟的探测光把激发后的探测对象再次激发到可以被直接观测到的状态。借助光电探测系统（如光谱仪、光电子速度成像系统、飞行时间质谱仪等）进行观察和记录，调整泵浦光脉冲和探测光脉冲的时间延迟，获得不同超短时间延迟的观测结果，就实现了对“来无影、去无踪”的超快过程的实时探测。在此之前，人类对这类超快过程的观测基本上还停留在飞秒层次，只能对一般的化学反应过程进行观测。而在阿秒激光投入应用后，观测电子运动便成为可能。

快、更快：阿秒激光的今天与明天

2023 年10 月3 日，瑞典皇家科学院宣布将2023 年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼、匈牙利- 奥地利物理学家费伦茨·克劳斯和法国物理学家安妮·吕利耶，以表彰他们将产生阿秒光脉冲的实验方法用于研究物质的电子动力学，他们在20 年前所完成的工作为当前蓬勃发展的阿秒激光技术奠定了坚实的基础。可以说，阿秒激光终于迎来了属于自己的“高光时刻”。

聪明的你应该已经明白，了解这些微不可察的时间片段能为我们揭示这个世界的更多奥秘。在阿秒之下，还有许多更短的时间尺度值得探索，比如应用于核物理研究的仄秒（Zeptosecond，10-21 秒）、能够观察W 及Z 玻色子产生的幺秒（Yoctosecond，10-24）等。目前最短的时间片段——普朗克时间，更是达到了5.4×10-44 秒。它是目前物理学范围内定义的最小时间单位。要知道，德国科学家在2020 年成功地将人类观测最短时间的纪录突破至247 仄秒，但是这与普朗克时间还存在着难以逾越的鸿沟——相当于在秒与阿秒的差距基础上再大1 万倍！

2021 年，为了实现超快科学与物质科学的交叉发展，中国科学院物理研究所在广东省东莞市设立了超快物质科学中心，旨在建设国际上最先进的、以超快时间分辨的物质科学研究为突出特点的超快科学与技术研究高地，为高温超导、量子计算、光伏发电以及生命健康等重大基础科学问题的突破提供助力。

结语

“仰观宇宙之大，俯察品类之盛。”

在1 671 年以前，也就是大约52 696 656 000 秒以前，王羲之提笔写下《兰亭序》，感叹宇宙之浩渺、人生之短暂。在这个永恒变化着的世界里，凝聚着全人类智慧的阿秒激光将会为我们定格下其中的一瞬，记录着我们人类进步的足迹！

（责任编辑：白玉磊）