瑞典皇家科學院3日宣布,，將2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶,，以表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法用于研究物質的電子動力學,。瑞典皇家科學院常任秘書表示，今年的獲獎成果是實驗方法,，為人類探索原子和分子內(nèi)的電子世界提供了新工具,。三名獲獎者將平分1100萬瑞典克朗（約合100萬美元）獎金。

■解讀

觀察微觀世界的“超級快門”

瑞典皇家科學院在新聞公報中說,，獲獎研究成果“展示了一種產(chǎn)生極短光脈沖的方法,，它可用于測量電子移動或改變能量的快速過程”。公報說,，探究真正短暫的事件需要特殊技術，在電子世界中,，變化發(fā)生在十分之幾阿秒內(nèi),。

什么是阿秒？1阿秒是10的負18次方秒,，也就是十億分之一秒的十億分之一,。在這三位科學家的努力下，光脈沖已經(jīng)可以達到阿秒級,。那么,，創(chuàng)造如此短瞬間的光脈沖有哪些意義？

蜂鳥扇動翅膀的頻率可達每秒80次,，而我們只能看到翅膀模糊的影子,。人類視覺感官不可能觀察到極短的事件，快速的運動看起來就是一片模糊，“捕捉”這些非常短暫的瞬間需要使用高速攝影,。要獲得蜂鳥翅膀運動的清晰圖像,，相機快門必須比蜂鳥翅膀運動的速度還快。也就是說,，任何測量都必須比被測量對象變化的速度更快,，否則結果就是“模糊”的。

而在物質的微觀世界,，粒子都是以極高的頻率在移動,。原子運動的時間尺度是飛秒，即10的負15次方秒,，用激光脈沖（飛秒激光）可以觀察,。但原子的運動比起電子的運動來說還是“慢得很”，因為電子運動的時間尺度是阿秒,。電子在原子或分子內(nèi)部運動如此之快,，以至于在飛秒級的光脈沖觀察下還是模糊不清?？茖W界認識到,，需要全新的技術以觀察到電子的運動。

光的波長和頻率成反比,，人們可以想到的最短光脈沖就是光波的一個振動周期,。在這種情況下，普通波長的激光系統(tǒng)所產(chǎn)生的光脈沖無法低于飛秒,，這是上世紀80年代科學界的普遍認識,。如何讓光脈沖達到阿秒級？科學家通過計算認為,，可以通過組合多個波長的短波激光脈沖來產(chǎn)生更短的光脈沖,。

要組合新波長需要的不僅僅是激光，另一個關鍵是激光穿過氣體時產(chǎn)生一種現(xiàn)象：光與原子相互作用并產(chǎn)生諧波,，那是在原始波的一個周期中完成多個完整周期的波,。1987年，呂利耶在法國實驗用一束紅外激光穿過惰性氣體,，結果產(chǎn)生的諧波比之前用較短波長激光所產(chǎn)生的諧波更多更強,。她在上世紀90年代繼續(xù)探索這種效應，為下一個實驗突破奠定了基礎,。

光的能量與波長有關,，越短波長的光能量越強。激光穿過氣體時產(chǎn)生諧波的能量相當于紫外線,，其波長比可見光短,。激光與許多不同的氣體原子互動就會產(chǎn)生一組特定波長的諧波,，而這些諧波又會相互作用，在適當?shù)那闆r下會產(chǎn)生一系列紫外線光脈沖,，每個脈沖的時間尺度為幾百阿秒,。

實際識別和測試脈沖的突破發(fā)生在2001年。阿戈斯蒂尼在法國和他的研究小組成功創(chuàng)造和研究了一系列連續(xù)的諧波光脈沖,，就像一列帶車廂的火車,。他們使用了一種特殊的技巧讓光脈沖“列車”和延時的原始激光束放在一起，以觀察諧波,。他們還實測出每個脈沖持續(xù)約250阿秒,。與此同時，當時在奧地利的克勞斯和他的研究小組研究出一種技術,，可以分離出單個脈沖,。他們成功分離的脈沖持續(xù)了650阿秒，該小組用它來跟蹤和研究電子從原子中“拉離”的過程,。

三位科學家連續(xù)的突破表明,，阿秒脈沖可以觀察和測量，并且也可以用于新的實驗,。如今,，“阿秒物理學”的世界已經(jīng)打開，可以產(chǎn)生的光脈沖達到幾十阿秒量級,，這些“超級快門”可以用來觀察電子的運動,、探測原子和分子的詳細結構，也可以用在醫(yī)療診斷中識別不同的分子,。