这届物理奖，拍到了人人知道却从未见过的东西
“你好，这里是从诺贝尔奖基金会打来的电话。”昨天（3日），诺贝尔物理学奖公布当天，3名科学家接到了这一问候，并得知获奖消息。
安妮·吕伊耶（Anne L'Huillier）是最早接到电话的获奖者，她也是诺贝尔物理学奖的第5位女性科学家。
在诺奖发布会开始前半小时，工作人员给她打了三四个电话才得以接通。当时，安妮正在瑞典德隆大学上课，课间休息时，她才注意到电话响了。
得知获奖消息后，她很快结束了通话，回去上课。但这个好消息仍让她激动不已，以至于后来发布会连线时，她说“讲好最后半小时的课有点难”。
发布会结束后，费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）在德国接到了电话，他的第一反应是：“我不确定这是梦，还是现实。”而一同获奖的美国俄亥俄州大学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）则被女儿追问：我在谷歌上看到了消息，是真的吗？
在电话里表达获奖感受时，3名科学家都提到了带给他们成就和荣誉的科学突破。
“看到以前没人能看到的东西总是令人兴奋，我永远不会忘记。”对费伦茨来说，那个时刻是在2001年的一个早晨，他和同事利用阿秒光脉冲技术，第一次让电子运动可以被清晰看见。
今年的物理学奖表彰的，正是这3位找到了“用光捕捉最短瞬间的实验方法”的科学家，因为他们打开了研究电子运动的大门。
这一次，评选委员会将目光投向“阿秒物理学”，表彰突破性科学成就的同时，也提供了一个窗口，让我们得以窥见微观粒子世界的奇妙。
这个领域其实很有趣，它也可以被学科外的普通人所理解。要想感受它的神奇，其中的准则你一定熟悉：相信光。
这是光和电子碰撞出来的科学。
文 | 施晶晶
本文转载自微信公众号“南风窗”（ID：SouthReviews），原文首发于2023年10月4日，原标题为《这届物理奖，拍到了人人知道却从未见过的东西》，不代表瞭望智库观点。
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给飞速的电子照张相
“获奖者进行的实验开辟了阿秒物理学的新研究领域。”诺奖委员会评价道。
如此简单的一句概括，包含着非同寻常的科学探索和突破。
物质世界是由层层嵌套的分子、原子、电子等组成的。研究电子，是从原子往微观世界更进一步。
但在此之前，研究电子的难点在于，它运动得实在太快了——它必须用“阿秒”作为时间尺度来衡量。
1阿秒有多短？我们以樱花下落的秒速5厘米为基准，1阿秒之于它，相当于樱花落下5厘米之于宇宙诞生以来138亿年的光阴。
原子和分子中电子的运动速度非常快，要用阿秒来测量。阿秒相对于秒就如秒相对于宇宙年龄 / 图源：诺贝尔官网
电子是如此捉摸不定，要想研究它，必须尽量看清它，一个有效的办法，是拍照定格。
这个技巧的原理，我们熟悉。
就像有了可以快速成像的照相机，我们终于弄清楚：奔跑时的马儿是四脚腾空，而非始终有一个马蹄着地；也知道了一只蜂鸟每秒可以振动翅膀多达80次——这些都是过去我们无法用肉眼捕捉和认知的事。
可要对以“阿秒”速运动的电子拍照片，可没有那么容易。
就像要给奔跑的马儿拍照，照相机的快门必须比马儿奔跑的速度更快，否则，拍出来的照片就是模糊的，什么也看不清。同样的道理，要想给运动的电子拍张清晰的照片，拍照的速度要比它更快。
这是个非常需要技巧的活儿，有和奥林匹克运动员一样的极限追求：更快。
3位诺奖获得者做的就是这件事：找到超高频率的阿秒光脉冲，给电子拍下清晰的照片。
这就回到了我们开头说的“相信光”的话题，也就是：为什么光可以做到。
道理并不难懂，因为光是目前已知的传播速度最快的东西，能够运用光，就有了清晰拍照的前提。
光是这样工作的。
科学家发现，可以用激光产生的最短脉冲来研究微观粒子的运动，我们就是通过这些脉冲的特点来看见分子、原子甚至电子的“照片”。
脉冲闪光的持续时间和激光场振荡的速度代替相机曝光时间的作用，科学家就能对微观世界进行“定格”。
高次谐波在基频波一个周期中完成多个周期。高次谐波和光波有相同的性质 / 图源：诺贝尔官网
但对关键点在于：突破光脉冲的速度极限。
过去，科学家们以为，激光脉冲持续的时间极限是“飞秒”，这足以让我们看清原子，因为原子就是在“飞秒”量级上运动，而面对电子，“飞秒”完全不够用，它太粗糙了，按这个尺度，只能呈现类似马赛克的效果。
就像诺奖委员会描述得那样：改进现有技术，还不足以看到电子在极其短暂的时间尺度上运动的过程，它需要一些全新的东西——也就是阿秒物理学。
从“飞秒”到“阿秒”，其实就是精进到千分之一，但这不是单纯的量变，对于研究粒子来说，已经到了从“原子到电子”的质变程度。
可是随之而来的难题在于，怎么才能产生突破极限，找到“阿秒”量级的激光脉冲，打开电子世界的大门？
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突破性时刻
钥匙是在1987年偶然间被发现的。
当时，安妮和同事发现，红外激光穿过气体时，产生了新的脉冲光波，它非常短，而且有很高的能量。她很快意识到，脉冲的能量和时间尺度的值，可以用来激发电子，并研究它们的运动。
当激光强度足够大，会明显改变原子内部电子的运动，使得电子被迫逃离原子，但它们是如此难舍难分，电子之后会迅速回归它原来的轨迹，这个过程里，受到刺激的电子会激发出新的、更短的脉冲。
这是安妮被授予诺奖的原因：发现了激光与气体中电子相互作用的新效应。
沿着这个发现，后续的科学家相信，可以通过组合更多、更短的波长制造“阿秒”级别的光脉冲，作为相机快门，检测电子的超高速运动。
有意思的是，发现新效应是意外收获。
原先，这个实验研究的是另外的课题，但安妮注意到了这些不同寻常的光脉冲，没有把它当成误差而错过，就此开始了新的研究。
“我发现它非常令人着迷，并真正陷入了探索这种新现象的过程中，它是原子物理学的有趣组合。”安妮回忆说。
这个时候，你会发现科学探索的妙不可言，有时它不是求仁得仁，但有识之士却能从异样中挖掘出宝藏，发现它藏着开启另外一些重大问题的钥匙。
这是探索电子世界的科学故事，而科学家们找到了新的测量工具，安妮站在了起点处，展示了产生阿秒脉冲在实验原理上的技巧。
不过，直到2001年，阿秒光脉冲才第一次被制造和测量出来。
皮埃尔和他在法国的研究小组成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，他们看到每个脉冲仅持续250阿秒。
与此同时，费伦茨和他在奥地利的研究小组研究了单个脉冲，他们还成功分离出持续650阿秒的脉冲，科学家第一次成功跟踪了电子从原子中脱离的过程。
在此之前，电子运动快到无法追踪，但3位科学家的研究，实现了“不可能”到“可能”的跨越。
最终，3位获奖者找到了“用光捕捉最短瞬间”的新方法，他们让激光脉冲足够短，足以捕获电子运动过程的图像，诺贝尔物理学委员会委员马茨·拉尔森教授形容：这一突破打开了电子世界的大门。
用最短的激光脉冲探索电子的世界实验示例 / 图源：诺贝尔官网
“我们从不同的方向进入这个领域，大部分都是做互补的工作。我很荣幸的是，我从一开始就参与其中。”去年，获得有着“诺奖风向标”之称的沃尔夫物理学奖后，安妮这样说。当时和她一同获奖的还有费伦茨和另一位来自渥太华大学的科库姆教授。
也正是他们开辟了阿秒物理学的新领域，一门研究微观宇宙中电子运动的科学。
“电子运动负责产生光以及化学键的形成和断裂，从而改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能，并负责以最快的速度处理信息……今天，我们正在使用阿秒光脉冲来更好地了解涉及电子、原子和分子的微观过程，并找出它们如何影响宏观世界。”去年，获得沃尔夫物理学奖后，费伦茨这样阐述阿秒物理学的价值。
通过这个本世纪初才诞生的新领域、新工具，诚如诺贝尔委员会所说：现在，阿秒世界已经触手可及。
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科学的道路
“阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制，下一步将是利用它们。”诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森 (Eva Olsson) 说，而3位获奖者的工作，为电子信息工业和医学领域的潜在应用铺平了道路。
尽管他们的研究属于基础科学，但应用并非不可想象。
阿秒物理学的长远目标，是实时控制物质中的电子运动。我们已经在芯片半导体上，实现了在“皮秒”（注：千分之一纳秒）级别的电流控制，而未来，阿秒技术将大幅提升电子信号处理的速度，甚至可能推进到速度极限：光频率。
在医疗领域，视力矫正是我们最熟悉的一类激光手术，它用到的就是飞秒技术。
现在，费伦茨的团队还在尝试用飞秒和阿秒技术来分析血液样本并检测其中的微小变化。他们正分析这些变化是否足够具体，以便能够在疾病的初始阶段明确地诊断出疾病，他们将这种新方法称为电场分子指纹识别。
科学理论正在以新的速度转化为应用。在过去的二十年里，阿秒技术在世界范围内激增。
费伦茨也解释，X 射线自由电子激光器，是激光科学里最大的基础设施，它的原理，就是光和电子的“阿秒”级相互作用。其中六座已在几大洲投入运营，还有几座正处于建设和规划阶段。它们可以发射持续时间为“阿秒”的 X 射线脉冲。这些在许多应用中都有前景，其中一些具有深远的重要性。
我们经历的过去影响着我们的当下和未来，科学探索、应用的起点，从更久远的兴趣萌芽开始。
克劳兹着迷于探索更小的空间和时间维度。上世纪80年代，他还是个大学生，就在写毕业论文期间激发了对激光物理、尤其是超短光脉冲的兴趣。
“激光与电子的相互作用使我们能够产生和测量极其短暂的闪光，这一事实令我着迷。当时的‘极限’意味着持续时间为几皮秒的脉冲，是电子电路控制电流的特征时间尺度。”
对安妮来说，40年前进入这个当时小众的领域，那种感觉就像她10岁时，看着阿波罗11号第一次冒险登月一样新鲜。
“这是一项基础研究，是全新的。”她花了几年时间才真正理解它，并在多年的探索中，发现：“学习和探索新事物，寻求应用是非常有趣的。”
直到现在，她仍然受这股力量驱动：“即使是30年后的现在，我们仍在学习新事物，仍在努力改进流程以适应某些应用，它的物理原理非常复杂，但这使得它非常非常有趣。”
