2023年诺贝尔物理学奖公布，让人类观察微观达到极致
昨天（10月3日），2023年诺贝尔物理学奖授予三人，以表彰他们在“产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学的实验方法”方面所做出的贡献。他们分别是：美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼，德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯，瑞典隆德大学教授安妮·呂利耶。 什么是阿秒光脉冲？怎样理解所谓的电子动力学？“这像是当下亚运会赛场上的一台快速相机，能够捕捉运动员一秒钟内发生的一系列动作。”复旦大学物理系教授陶镇生解释道，而本年度诺贝尔物理奖得主的突出贡献在于，他们能够在极限的速度飞秒时间，捕捉到原子、分子和凝聚相中物质中电子的动力学，让人类观察微观达到极致。 如果说一秒是短的一瞬间，那飞秒是什么概念呢？那是指1秒的一千万亿分之一。图说：获奖的美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国马克斯·普朗克量子光学研究所教授费伦茨·克劳斯和瑞典隆德大学教授安妮·呂利耶 以前，物理学有个原则上不可观测的量，例如氢原子中电子位置和公转周期。而现在，曾经“原则上”不可观测的东西现在却在实验室里变得触手可及。严格意义上，我们可能还无法观察到电子在原子核周围的位置和公转周期，但今天，我们可以在实验中“看到”原子、分子周围电子活动的情况。 这又是怎样做到的呢？陶镇生进而举例道，当我们用肉眼无法捕捉运动员飞快的动作时，就需要的拍摄速度更快的高速相机。同样的原理适用于所有用于测量或描述快速运动过程的方法：任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快。今年的诺贝尔物理学奖获奖者在实验中展示了一种产生光脉冲的方法，这种脉冲足够短，足以捕获原子和分子内部过程的图像。 一直以来，飞秒被认为是可以产生的闪光的极限。只是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——科学家需要一些全新的东西。而今年的获奖者开辟了阿秒物理学的全新领域。 1987 年，法国一家实验室的安妮·吕利耶和她的同事利用穿过惰性气体的红外激光束演示了谐波的产生。与之前实验中使用的波长较短的激光相比，红外光产生的谐波更多且更强。 费伦茨·克劳斯和他的研究小组则研究一种可以挑选单个脉冲的技术——就像将火车上的一个车厢脱开并将其切换到另一条轨道一样。他们成功分离出了持续 650 阿秒的脉冲，该小组用它来跟踪和研究电子脱离原子束缚的过程。 现在阿秒世界已经为科学家们认知，可以测量电子被拉离原子所需的时间，并检验电子与原子核结合的紧密程度如何决定该时间的长短。 陶镇生介绍，现在包括复旦大学在内的国内不少高校也在进行类似的实验。阿秒光脉冲可用于测试物质的内部过程，并识别不同的事件，这是物理学的一项基础研究。当然，从未来看，这些脉冲在电子、医学等领域具有应用潜力。例如，阿秒脉冲可用于推动分子，从而发出一个可测量的信号。来自分子的信号具有特殊的结构，这是一种可以揭示其“身份”的指纹，在医学诊断等领域都可能具有潜在价值。 新民晚报记者 张炯强
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