2023諾貝爾物理獎花落“阿秒光脈沖”

楊柳

（左起）安妮·呂利耶、費倫茨·克勞斯、皮埃爾·阿戈斯蒂尼。圖/法新

10月3日，歐洲中部時間11點45分（北京時間下午5點45分），瑞典皇家科學院決定將2023年諾貝爾物理學獎授予三位研究阿秒光脈沖的科學家，他們的實驗工作被比喻為“用高速相機去捕捉微觀物質世界的超快運動過程”。

來自美國俄亥俄州大學的名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯普朗克研究所研究員費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學教授安妮·呂利耶（Anne L'Huillier）三人分享2023年諾貝爾物理學獎，以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法”（For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter）。

阿秒（Attosecond）是電子在原子內部運動的時間尺度。一阿秒之于一秒，如同一秒之于317.1億年，約為宇宙年齡的兩倍——據2021年最新估算，宇宙年齡為137.97億年。電子繞氫原子核一周大約是150阿秒，而阿秒物理學是研究這樣一個超短時間尺度內所產生的一切現象，其中包括原子內部電子、原子核的運動。

中國科學院物理所公眾號介紹，電子繞原子核的運動周期已經達到了阿秒量級，如果要觀察電子甚至原子核內的運動過程，需要時間分辨率進一步達到阿秒甚至仄秒（1仄秒=10-21秒），這同樣只能通過阿秒激光來實現。

“獲獎者的實驗產生了如此短的光脈沖，可以以阿秒為單位進行測量，從而證明這些脈沖可用于提供原子和分子內部過程的圖像。”諾貝爾獎官網介紹說。諾貝爾物理學獎委員會主席伊娃·歐爾森（Eva Olsson）則在發布會現場表示，三位科學家數十年的研究“給予我們機會去理解被電子支配的世界”。

阿秒光脈沖應用領域包括電子、疾病診斷、清潔能源的新材料開發等。安妮·呂利耶則在發布會現場補充說，“阿秒光脈沖的一個現實應用是將作為半導體行業的成像工具?！?/p>

中國科學院院士方忠曾在中國阿秒科學中心揭牌儀式上表示，阿秒光脈沖可以觀測電子運動的瞬時過程，也是目前唯一可直接測量電子瞬態行為的工具，阿秒的研究與獲得，“將打開一扇大門，把科學乃至世界推進到一個全新的時代”。

諾貝爾物理學獎主要集中四個領域：粒子物理、天體物理、凝聚態物理、原子分子及光物理。光物理是今年外界預測的熱門獲獎領域，其中，費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶二人因2022年同時獲得被譽為“諾獎風向標”的沃爾夫獎，隨后成為該領域的熱門人選。

第五位獲得諾貝爾物理學獎的女性

值得一提的是，安妮·呂利耶也成為諾貝爾物理學獎百年史上第五位獲此殊榮的女性。在10月3日的新聞發布會上，安妮·呂利耶在回答現場記者提問時也表示，自己獲獎后深受觸動，原因之一便是“很少有女性能獲得該獎項”。

早期，出生于波蘭的物理學家居里夫人（Marie Curie）曾兩度獲得諾貝爾獎。1963年，德裔美國女物理學家瑪麗亞·格佩特-梅耶因（Maria Goeppert Mayer）發展了解釋原子核結構的數學模型獲得物理學獎。2018年，加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。2020年，美國女科學家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）因“在銀河系的中心發現了一個超大質量致密天體”而獲獎。

據沃爾夫基金會官網介紹，安妮·呂利耶致力于研究短而強的激光脈沖與原子之間的相互作用。其祖父是一名從事無線電通信的電氣工程教授，受其影響，呂利耶對科學技術產生了極大的熱情，這使她后來成為實驗阿秒物理領域的領軍人物。

1987年，她參與了第一個產生高階諧波、形成阿秒脈沖的實驗，成為最早通過實驗證明高階諧波產生的人之一，并為該過程正確理論描述的發展作出了重大貢獻。

表彰的是產生阿秒光脈沖的實驗方法

另一名來自歐洲的獲獎者是德國馬克斯·普朗克研究所研究員費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）。他是一位匈牙利裔奧地利物理學家，其研究團隊是第一個產生和測量阿秒光脈沖并利用它們捕獲原子內部電子運動的團隊。

克勞斯曾形容他們的工作就像開發一臺快門速度快得驚人的相機：“這個想法與捕捉一級方程式賽車或子彈的運動是一樣的。你拍了一系列快照，然后重建子彈實際上是如何擊中墻壁，進而可以慢動作再現這些快照，以觀察運動的所有細節”。

早在20世紀90年代初，克勞斯在維也納科技大學攻讀博士學位時，便對使用當時新型激光器來實現極短光脈沖這一想法印象深刻。2001年，克勞斯團隊在實驗上成功地利用氣體高次諧波產生了脈寬為650阿秒的單個光脈沖，使光脈沖寬度達到阿秒量級。當前，科學界正在使用此類脈沖來更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過程，并探究它們如何影響宏觀世界。

克勞斯還一直在探索阿秒脈沖在疾病檢測中的潛力。2022年克勞斯獲得西班牙BBVA基金會“知識前沿獎”，他在BBVA基金會官網刊登的一篇報道中說，如果我們從血液樣本中去除所有細胞，剩下的液體就是血漿或血清。它所包含的分子為判斷捐贈者的健康狀況提供了有價值的線索，而科學家正在研究使用阿秒脈沖來提取這些信息的方法。

“使用極其靈敏的測量，我們可以非常精確地分析這些分子?！彼赋?，在初步研究中，“我們已經能夠檢測出八種不同類型的癌癥……我們還發現了一種非常嚴重的冠心病、糖尿病前期、糖尿病和中風?！彼嘈?，這些測量結果可能會在未來改變多種疾病的早期診斷。

作為多年臨床試驗的一部分，克勞斯目前正在對1萬名測試者進行測試，他希望該系統可以在未來十年內投入使用。

來自美國的俄亥俄州大學名譽教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼資料較少。他曾于2007年獲得荷蘭物質基礎研究基金會頒發的Joop Los獎，以及美國光學學會的William F. Meggers獎。2008年，他因“為原子和分子在強紅外激光脈沖下的非線性響應動力學提供了重要見解”，入選為美國光學學會院士。

同樣是在本世紀初，皮埃爾·阿戈斯蒂尼2001年成功產生并研究了一系列連續的光脈沖，其中每個脈沖僅持續250阿秒。

2022年，與費倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶同時獲得沃爾夫獎的是加拿大渥太華大學教授保羅·科克姆（Paul Corkum）。他是超快激光光譜領域的先驅人物，因提出有助于解釋與阿秒光譜相關的復雜現象的“三步模型”（Three step model）而聞名。

但科克姆此次未能獲得諾貝爾物理學家，從事阿秒脈沖研究的吉林大學教授劉愛華對此表示惋惜。

劉愛華向《財經》分析說，諾獎此次表彰的是產生阿秒光脈沖的實驗方法，而科克姆是在理論上奠定了基礎，可能諾獎頒發機構覺得相較于實驗方法來說沒那么重要，“但在我們業界，大家都認可他”。

劉愛華介紹，近幾年，包括中國科學院及一些地方都在積極發展阿秒光脈沖研究。據媒體報道，2023年4月25日，中國科學院物理所和東莞松山湖材料實驗室共建阿秒科學中心，以推動先進阿秒激光設施的建設，聯合開展并強化阿秒科學研究。

諾貝爾物理學獎也是華人科學家拿獎最多的獎項，包括李政道、楊振寧、丁肇中、朱棣文、崔琦和高琨六人。

今年每項獎項的獎金增加100萬瑞典克朗，達到1100萬瑞典克朗（約合100萬美元），成為諾貝爾獎百年史上獎金最多的一屆。

按評選規則，諾貝爾獎不會公布當年各獎項候選人名單，只能等到50年后才能了解這份名單。

生理學或醫學獎率先公布。10月2日，2023年諾貝爾生理學或醫學獎授予BioNTech的高級副總裁卡塔琳·考里科（Katalin Karikó）與美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院教授德魯·韋斯曼（Drew Weissman），表彰他們在信使核糖核酸（mRNA）研究上的突破性發現，為新冠疫情期間開發有效的mRNA疫苗鋪平道路。