2023年诺贝尔物理学奖揭晓: 这项技术将把人类带入“阿秒时代”

10月4日，2023年诺贝尔物理学奖在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓。

瑞典皇家科学院决定将2023年物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·卢利尔 (Anne L'Huillier)，以表彰他们开发出的能够产生阿秒量级光脉冲的实验方法，这些方法被用来研究物质中的电子动力学。

2023年诺奖物理科普

科普一：什么是阿秒

阿秒是一秒钟的一百万分之一的一百万分之一的一百万分之一。如果把你生命中的下一秒钟扩展为宇宙的历史的话，那么一阿秒将相当于宇宙历史长河中不足一秒的时间。

在一阿秒（10^-18秒）时间内，光只能行进比单个水分子的长度长不太多的距离，水分子本身也将表现为凝固状态。分子的固有振动周期超过几万阿秒，而其转动一周将需要几百万阿秒——相对振动来说时间很长。即使原子中电子的快速运动过程一般估计也得需要几百至几千阿秒的时间，而可见光波振荡一个周期大约需要2000阿秒。

科普二：什么是阿秒光脉冲

阿秒脉冲的出现是新型超强超短脉冲激光的迅速发展的结果。严格说来，纯粹的光学脉冲不能被压缩至1飞秒以内(时域和频域的转换限制需要比可见光谱更宽的带宽来产生亚飞秒脉冲)。然而，光学飞秒脉冲可以用来产生高次谐波脉冲，该脉冲可持续阿秒时间，并跨越更大的频率范围，达到真空紫外波段和软X射线波段，为探索新的物理过程开辟了道路。

科普三：阿秒光脉冲的应用

阿秒脉冲最直接的应用是原子内部电子过程的观测。

众所周知，物质是由分子和原子组成的，但它们不是静止的，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。而飞秒激光的出现，使人类第一次在原子和电子层面上观察到这一运动过程。

20世纪80年代末，加州理工学院的Zewail教授采用飞秒激光技术，拍摄到了100万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和形成以及单个原子的运动过程，使得人们可以通过“慢动作”来观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。Zewail教授为此开辟了飞秒化学的研究领域，并于1999年获得诺贝尔化学奖。

飞秒科学虽然对物理和化学的发展产生了巨大的影响，但对于像电子的运动来说，飞秒还是太慢了(电子振动的时间单位是另一层次——阿秒的世界)。红外线与可见光一次振动需要几个飞秒，无法实现阿秒时间尺度的测量；而阿秒脉冲的魅力在于它开辟了一个新的时间疆域――和飞秒脉冲很相似，阿秒脉冲在低于1飞秒的曝光时间内可摄取原子中电子动力学快照的崭新应用，必将在微观世界的研究中起到开疆破土的重要作用。

科普四：人类将进入“阿秒时代”

阿秒是电子在原子内部运动的时间尺度：电子绕氢原子核一周大约是150阿秒；而阿秒物理学(attosecond physics)是研究这样一个超短时间尺度内所产生的一切现象，其中包括原子内部电子、原子核的运动。

开展阿秒物理学研究将拓展在飞秒(1飞秒为10^－15秒)时间尺度内对分子的核运动的研究范围，使直接观测约100阿秒时间尺度内电子的运动成为可能，这对于人们认识更短时间内微观世界的物质运动将有非常重要的意义。

新型超强超短脉冲激光的出现与发展，为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端的物理条件。就时间尺度而言，人类已由飞秒时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒时代，这对自然科学和人类社会的进步产生了重要影响。

延伸阅读：近三年诺贝尔物理学奖得主

2022年

诺贝尔物理学奖被授予科学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)，约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser)和安东·塞林格(Anton Zeilinger)，以表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。

2021年

诺贝尔物理学奖授予“对我们理解复杂系统的开创性贡献”。一半由美国科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)获得，表彰他们“地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”；另一半由意大利科学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)获得，以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用”。

2020年

诺贝尔物理学奖将一半颁给了英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，以表彰其给出的黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据；另一半由德国科学家赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)、美国科学家安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)共享，表彰他们“在银河系中心发现超高质量高密度物质”。