這屆物理獎其實很有趣

“你好，這里是從諾貝爾獎基金會打來的電話。”諾貝爾物理學獎公布當天，3名科學家接到了這一問候，并得知獲獎消息。

安妮·呂伊耶（Anne L’Huillier）是最早接到電話的獲獎者，她也是諾貝爾物理學獎的第5位女性科學家。

在諾獎發布會開始前半小時，工作人員給她打了三四個電話才得以接通。當時，安妮正在瑞典德隆大學上課，課間休息時，她才注意到電話響了。

得知獲獎消息后，她很快結束了通話，回去上課。但這個好消息仍讓她激動不已，以至于后來發布會連線時，她說：“講好最后半小時的課有點難”。

發布會結束后，費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）在德國接到了電話，他的第一反應是：“我不確定這是夢，還是現實。”而一同獲獎的美國俄亥俄州大學教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）則被女兒追問：我在谷歌上看到了消息，是真的嗎？

在電話里表達獲獎感受時，3名科學家都提到了帶給他們成就和榮譽的科學突破。

“看到以前沒人能看到的東西總是令人興奮，我永遠不會忘記。”對費倫茨來說，那個時刻是在2001年的一個早晨，他和同事利用阿秒光脈沖技術，第一次讓電子運動可以被清晰看見。

今年的物理學獎表彰的，正是這3位找到了“用光捕捉最短瞬間的實驗方法”的科學家，因為他們打開了研究電子運動的大門。

這一次，評選委員會將目光投向“阿秒物理學”，表彰突破性科學成就的同時，也提供了一個窗口，讓我們得以窺見微觀粒子世界的奇妙。

這個領域其實很有趣，它也可以被學科外的普通人所理解。要想感受它的神奇，其中的準則你一定熟悉：相信光。

這是光和電子碰撞出來的科學。

給飛速的電子照張相

“獲獎者進行的實驗開辟了阿秒物理學的新研究領域。”諾獎委員會評價道。

如此簡單的一句概括，包含著非同尋常的科學探索和突破。

物質世界是由層層嵌套的分子、原子、電子等組成的。研究電子，是從原子往微觀世界更進一步。

但在此之前，研究電子的難點在于，它運動得實在太快了—它必須用“阿秒”作為時間尺度來衡量。

1阿秒有多短？我們以人類心臟跳動1次用時1秒為基準，1阿秒之于它，相當于心跳一次之于宇宙誕生以來138億年的光陰。

電子是如此捉摸不定，要想研究它，必須盡量看清它，一個有效的辦法，是拍照定格。

這個技巧的原理，我們熟悉。

就像有了可以快速成像的照相機，我們終于弄清楚：奔跑時的馬兒是四腳騰空，而非始終有一個馬蹄著地；也知道了一只蜂鳥每秒可以振動翅膀多達80次—這些都是過去我們無法用肉眼捕捉和認知的事。

可要對以“阿秒”速運動的電子拍照片，可沒有那么容易。

就像要給奔跑的馬兒拍照，照相機的快門必須比馬兒奔跑的速度更快，否則，拍出來的照片就是模糊的，什么也看不清。同樣的道理，要想給運動的電子拍張清晰的照片，拍照的速度要比它更快。

這是個非常需要技巧的活兒，有和奧林匹克運動員一樣的極限追求：更快。

3位諾獎獲得者做的就是這件事：找到超高頻率的阿秒光脈沖，給電子拍下清晰的照片。

這就回到了我們開頭說的“相信光”的話題，也就是：為什么光可以做到。

道理并不難懂，因為光是目前已知的傳播速度最快的東西，能夠運用光，就有了清晰拍照的前提。

光是這樣工作的。

1阿秒有多短？我們以人類心臟跳動1次用時1秒為基準，1阿秒之于它，相當于心跳一次之于宇宙誕生以來138億年的光陰。

科學家發現，可以用激光產生的最短脈沖來研究微觀粒子的運動，我們就是通過這些脈沖的特點來看見分子、原子甚至電子的“照片”。

脈沖閃光的持續時間和激光場振蕩的速度代替相機曝光時間的作用，科學家就能對微觀世界進行“定格”。

但對關鍵點在于：突破光脈沖的速度極限。

過去，科學家們以為，激光脈沖持續的時間極限是“飛秒”，這足以讓我們看清原子，因為原子就是在“飛秒”量級上運動，而面對電子，“飛秒”完全不夠用，它太粗糙了，按這個尺度，只能呈現類似馬賽克的效果。

就像諾獎委員會描述得那樣：改進現有技術，還不足以看到電子在極其短暫的時間尺度上運動的過程，它需要一些全新的東西—也就是阿秒物理學。

從“飛秒”到“阿秒”，其實就是精進到千分之一，但這不是單純的量變，對于研究粒子來說，已經到了從“原子到電子”的質變程度。

可是隨之而來的難題在于，怎么才能產生突破極限，找到“阿秒”量級的激光脈沖，打開電子世界的大門？

突破性時刻

鑰匙是在1987年偶然間被發現的。

當時，安妮和同事發現，紅外激光穿過氣體時，產生了新的脈沖光波，它非常短，而且有很高的能量。她很快意識到，脈沖的能量和時間尺度的值，可以用來激發電子，并研究它們的運動。

當激光強度足夠大，會明顯改變原子內部電子的運動，使得電子被迫逃離原子，但它們是如此難舍難分，電子之后會迅速回歸它原來的軌跡，這個過程里，受到刺激的電子會激發出新的、更短的脈沖。

這是安妮被授予諾獎的原因：發現了激光與氣體中電子相互作用的新效應。

沿著這個發現，后續的科學家相信，可以通過組合更多、更短的波長制造“阿秒”級別的光脈沖，作為相機快門，檢測電子的超高速運動。

有意思的是，發現新效應是意外收獲。

原先，這個實驗研究的是另外的課題，但安妮注意到了這些不同尋常的光脈沖，沒有把它當成誤差而錯過，就此開始了新的研究。

“我發現它非常令人著迷，并真正陷入了探索這種新現象的過程中，它是原子物理學的有趣組合。”安妮回憶說。

這個時候，你會發現科學探索的妙不可言，有時它不是求仁得仁，但有識之士卻能從異樣中挖掘出寶藏，發現它藏著開啟另外一些重大問題的鑰匙。

這是探索電子世界的科學故事，而科學家們找到了新的測量工具，安妮站在了起點處，展示了產生阿秒脈沖在實驗原理上的技巧。

不過，直到2001年，阿秒光脈沖才第一次被制造和測量出來。

皮埃爾和他在法國的研究小組成功地產生并研究了一系列連續的光脈沖，他們看到每個脈沖僅持續250阿秒。

與此同時，費倫茨和他在奧地利的研究小組研究了單個脈沖，他們還成功分離出持續650阿秒的脈沖，科學家第一次成功跟蹤了電子從原子中脫離的過程。

在此之前，電子運動快到無法追蹤，但3位科學家的研究，實現了“不可能”到“可能”的跨越。

最終，3位獲獎者找到了“用光捕捉最短瞬間”的新方法，他們讓激光脈沖足夠短，足以捕獲電子運動過程的圖像，諾貝爾物理學委員會委員馬茨·拉爾森教授形容：這一突破打開了電子世界的大門。

“我們從不同的方向進入這個領域，大部分都是做互補的工作。我很榮幸的是，我從一開始就參與其中。”去年，獲得有著“諾獎風向標”之稱的沃爾夫物理學獎后，安妮這樣說。當時和她一同獲獎的還有費倫茨和另一位來自渥太華大學的科庫姆教授。

也正是他們開辟了阿秒物理學的新領域，一門研究微觀宇宙中電子運動的科學。

“電子運動負責產生光以及化學鍵的形成和斷裂，從而改變生物分子的結構及其在生命系統中的功能，并負責以最快的速度處理信息……今天，我們正在使用阿秒光脈沖來更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過程，并找出它們如何影響宏觀世界。”去年，獲得沃爾夫物理學獎后，費倫茨這樣闡述阿秒物理學的價值。

通過這個本世紀初才誕生的新領域、新工具，誠如諾貝爾委員會所說：現在，阿秒世界已經觸手可及。

科學的道路

“阿秒物理學讓我們有機會了解電子控制的機制，下一步將是利用它們。”諾貝爾物理學委員會主席伊娃·奧爾森說，而3位獲獎者的工作，為電子信息工業和醫學領域的潛在應用鋪平了道路。

盡管他們的研究屬于基礎科學，但應用并非不可想象。

科學理論正在以新的速度轉化為應用。在過去的20年里，阿秒技術在世界范圍內激增。

阿秒物理學的長遠目標，是實時控制物質中的電子運動。我們已經在芯片半導體上，實現了在“皮秒”（注：千分之一納秒）級別的電流控制，而未來，阿秒技術將大幅提升電子信號處理的速度，甚至可能推進到速度極限：光頻率。

在醫療領域，視力矯正是我們最熟悉的一類激光手術，它用到的就是飛秒技術。

現在，費倫茨的團隊還在嘗試用飛秒和阿秒技術來分析血液樣本并檢測其中的微小變化。他們正分析這些變化是否足夠具體，以便能夠在疾病的初始階段明確地診斷出疾病，他們將這種新方法稱為電場分子指紋識別。

科學理論正在以新的速度轉化為應用。在過去的20年里，阿秒技術在世界范圍內激增。

費倫茨也解釋，X射線自由電子激光器，是激光科學里最大的基礎設施，它的原理，就是光和電子的“阿秒”級相互作用。其中六座已在幾大洲投入運營，還有幾座正處于建設和規劃階段。它們可以發射持續時間為“阿秒”的X射線脈沖。這些在許多應用中都有前景，其中一些具有深遠的重要性。

我們經歷的過去影響著我們的當下和未來，科學探索、應用的起點，從更久遠的興趣萌芽開始。

克勞茲著迷于探索更小的空間和時間維度。上世紀80年代，他還是個大學生，就在寫畢業論文期間激發了對激光物理，尤其是超短光脈沖的興趣。

“激光與電子的相互作用使我們能夠產生和測量極其短暫的閃光，這一事實令我著迷。當時的‘極限’意味著持續時間為幾皮秒的脈沖，是電子電路控制電流的特征時間尺度。”

對安妮來說，40年前進入這個當時小眾的領域，那種感覺就像她10歲時，看著阿波羅11號第一次冒險登月一樣新鮮。

“這是一項基礎研究，是全新的。”她花了幾年時間才真正理解它，并在多年的探索中，發現：“學習和探索新事物，尋求應用是非常有趣的。”

直到現在，她仍然受這股力量驅動：“即使是30年后的現在，我們仍在學習新事物，仍在努力改進流程以適應某些應用，它的物理原理非常復雜，但這使得它非常非常有趣。”