诺贝尔物理学奖揭晓：超快科学和阿秒物理——人类探究微观世界的利器
【写在开头】
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正文
北京时间2023年10月3日下午5点45分，瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔-阿戈斯蒂尼（Pierre Agostinii）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮•吕利耶（Anne L’Huillier）；其实验给予人类探索原子和分子内部电子世界的全新工具。他们展示出一种产生极短光脉冲的方法，可用于测量电子运动或能量转换的快速过程。
新科物理学诺奖得主
诺贝尔基金会决定3位获奖者平分1100万瑞典克朗的奖金，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法"。
获奖人简介：
皮埃尔-阿戈斯蒂尼（Pierre Agostinii）
皮埃尔-阿戈斯蒂尼是法裔美国实验物理学家，因发明了用于表征阿秒光脉冲的 RABBITT（通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动）技术而闻名。阿戈斯蒂尼于1968年在法国艾克斯马塞大学获得博士学位。自2005年起他担任美国俄亥俄大学物理学教授。
费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）
1962年出生于匈牙利，是匈牙利-奥地利物理学家，现在就职于维也纳技术大学、马克斯普朗克量子光学研究所、以及路德维希马克西米利安大学等机构。2001年，他的研究团队产生并测量了第一个阿秒光脉冲，并用它来捕捉原子内部电子的运动，标志着阿秒物理的诞生。克劳斯及其团队对飞秒脉冲波形进行控制并由此产生的可重复的阿秒脉冲，从而建立阿秒测量技术，是当今实验阿秒物理的技术基础。
安妮•吕利耶（Anne L’Huillier）
1958年生于法国巴黎，是一位法国物理学家，现为隆德大学原子物理学教授。她在法国萨克莱核研究中心取得实验物理学博士学位。从1986年起，开始在萨克莱核研究中心正式工作。2003年，她带领团队产生了170阿秒脉宽的脉冲激光，打破了世界纪录。
获奖成果：从理论到技术的纠缠态
超快科学的历史发展
长久以来，对快速运动现象的观察和研究，都是人类认识自然现象和推动科学进步的动力之一。古人靠肉眼观察快速的事物，比如辛弃疾所著：“马作的卢飞快，弓如霹雳弦惊”。
同样是为了研究马的跑步姿势，斯坦福（Leland Stanford）通过快速控制照相机的快门开关拍下了世界上第一个“电影”。在这个事件中，照相机接收到的信号实际上是一个一个的光脉冲，这和后来的超快激光有着异曲同工之处。
来源：Leland Stanford - Wikipedia
电影的时间分辨能力一般是几十帧也就是几十毫秒量级（10-2s）。随着技术发展，如今的超高速摄影机可以达到微秒量级（10-6s）的时间分辨能力。可以观察到比如闪电产生，药物溶解，生命反应等人眼无法分辨的瞬态现象；同时可以帮助人类控制导弹发射、核爆等工程过程，发挥着重要作用。
更快的物理过程，比如电子电路的响应时间，达到了纳秒量级（10-9s），需要通过比如示波器等仪器观察。但是这些方法往往最终受限于微观上电路的RC响应时间常数，时间分辨能力至多只能到几十皮秒（1 皮秒=10-12 s）。
高速摄影机拍下的闪电 来源：bilibili-亿点点不一样
但是，人类对自然界瞬态过程好奇和探索从来都不停歇。要观察特征时间更短的分子尺度的微观运动过程，比如观测分子的转动和振动过程、电子从激发态回到基态的弛豫过程则需要皮秒到飞秒量级（1飞秒=10-15 s）的时间分辨。人类目前只能通过飞秒激光来实现。
更进一步地，电子绕原子核的运动周期已经达到了阿秒量级（1 阿秒=10-18s），所以要观察电子甚至原子核内的运动过程, 需要时间分辨率进一步达到阿秒甚至仄秒（1 仄秒=10-21s），这同样只能通过阿秒激光来实现。
激光的产生最早可以追溯到爱因斯坦提出的受激辐射，这是激光产生的基本原理。
量子力学告诉我们，在物质内部，电子处在分立的能级之上，当电子从高能量的能级跃迁到低能量的能级时，会向外辐射一个光子，光子的能量等于这两个能级的能量差，这时自发辐射过程。
当我们从外部照射一束光，如果光子的能量等于两个能级的能量差，且电子处在高能级时，电子就会在外部光子的扰动下跃迁到低能级并辐射一个光子，这就是受激辐射。我们可以注意到，原来我们入射了一个光子，现在出射了两个光子，所以受激辐射使我们获得了更强的光。
要实现持续的激光输出，必须还要满足能级之间粒子数反转的条件，即处在高能级的电子数目比处在低能级的电子数目多。采用具有多能级结构的物质作为激光介质即可实现粒子数反转。通过构建谐振腔即可出射具有高准直性的激光。
激光器的基本结构
随后可以通过控制谐振腔的损耗实现脉冲激光的输出，再根据激光锁模技术可以产生短脉宽的脉冲激光。
自从1960年Maiman 发明红宝石连续激光器之后，纳秒、皮秒到飞秒量级的脉冲激光器相继于 1962 年、1966 年和1974 年由R. W. Hellwarth、A. J. DeMaria以及C. V.Shank等科学家的研究团队相继研发出来。到了二十世纪八十年代，更低噪音，更高稳定性，而且如今应用最广泛的的钛-蓝宝石（Ti-Sapphier）激光器的问世。
1999 年，诺贝尔化学奖颁发给了加州理工大学的Ahmed H. Zewail 教授，以表彰他发明了一套时间分辨的超快光谱学技术，并据此研究了化学反应中化学键断裂的过程。这一史无前例的研究也将人类自然科学的研究带入了一个新的、更快的神奇世界。
Ahmed H. Zewail 1999年诺贝尔化学奖
时至今日，超快光谱技术已经成为研究物质微观粒子动力学的最重要的技术。而且，飞秒激光带来的时间分辨技术与其他技术的结合，比如STM，XRD，电子衍射，角分辨电子能谱等，为人类可以同时在时间、空间、动量空间等多个维度同时观察最极限的微观物理现象。
脉冲激光除了具有极短的脉宽以外，其极高的瞬时功率密度也是最重要的特点之一，这得益于二十世纪八十年代Gerard Mourou 和Donna Strickland发明的啁啾脉冲放大技术（Chirped PulseAmplipication, CPA）。他们也因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。
2018年诺贝尔物理学奖
阿秒脉冲的产生和运用
利用飞秒激光电离气体可以产生高次谐波，从而产生具有阿秒（1 as=10-18 s）级别脉宽的阿秒激光。
将飞秒脉冲激光进行经过光学聚焦, 当焦点处光强达到1012 W/cm2时, 其对应的电场峰值 ( 2.7 × 109 V/m ) 就与原子内部束缚电子的库仑场（109 V/m）量级) 差不多了. 此时, 将气体靶置于激光焦点附近, 靶内原子中的电子就可以从束缚态电离进入自由态。
电离出的电子经过飞秒激光电场的加速获得很高能量，电子再与原子复合，复合过程中电子在光场中获得的动能与从连续态到基态的跃迁能(等于电离能)之和以高次谐波光子的形式辐射出来。这个过程就是在1993年，Corkum首次详细阐述的强场电离的半经典三步模型，是高次谐波以及阿秒激光产生的基本原理。
高次谐波产生的三步模型示意图
该三步过程在飞秒驱动激光中每半个周期发生一次, 形成一个等时间间距的极紫外脉冲序列, 并在频域发生干涉而形成梳齿状的分立高次谐波光谱。频域中梳齿状的高次谐波谱在时域上则对应一个阿秒脉冲序列。
随后利用飞秒脉冲作为驱动源, 并采用相应的相位选通方法, 在这里可以大致理解成一个滤波过程。相位选通的方法有振幅选通，电离选通，偏振选通、双光选通、空间选通、干涉偏振选通及偏振辅助的振幅选通等[8]。这样就可以从阿秒脉冲序列中选出一个脉冲, 称为孤立阿秒脉冲。孤立阿秒脉冲有两个重要参数，分别是中心光子能量和脉冲宽度。
高次谐波分立谱包括微扰区、平台区和截止区; 在时域上对应一个阿秒脉冲串.在高次谐波的截止区产生一段连续光谱, 将其滤波后在时域上对应一个孤立阿秒脉冲
2001年，Paul等人利用40 fs的钛宝石激光轰击氩气产生13~19阶的高次谐波, 测量了单脉冲宽度为250as的脉冲串，同年，Krausz等人利用7 fs激光脉冲，在氖气中产生高次谐波并选出光子能量90 eV左右(波长约14 nm)的一段光谱, 测量结果显示这是一个大约650 as的脉冲, 这是第一个孤立阿秒脉冲的实验测量结果。2012年, Zhao等人获得了67as的孤立脉冲, 中心光子能量为90 eV, 这是至今为止以钛宝石激光器为驱动光源获得的最短阿秒脉冲。
最短孤立阿秒脉冲的发展历史，括号中参数为中心光子能量
阿秒科学最早研究的内容之一是电子的量子跃迁行为。研究方法有阿秒瞬态吸收光谱(ATAS)。2013年, Krausz研究组采用飞秒泵浦-阿秒探测这一实验手段获得了熔融石英的ATAS, 明确了阿秒脉冲调控电介质的可行性[13]。2014年, 加州大学伯克利分校的Leone研究组及合作者们利用极紫外光ATAS探测了半导体材料硅(Si)中电子从价带跃迁到导带的实时行为。
还有阿秒时间分辨-角分辨光电子能谱。2016-2017年, 美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的Murnane研究组利用这个方法进行了一系列研究，表明了材料中光电子行为弛豫时间与能带结构存在密切的关联。
光的产生、化学键的形成和断裂都来自于原子尺度的电子运动。化学键可以改变生物分子的结构及其在生命系统中的功能，也负责尽可能快地传递信息。所以了解电子的微观运动也可以帮助人类最基本的层面上了解疾病的起源，或将信息处理推进到最终的速度极限。
阿秒科学的另一个前沿是将现代电子学的表面控制方法与强光相结合，实现阿秒脉冲聚焦，其中焦点可以再缩小到100纳米尺度上，甚至可以达到10纳米。所以未来光与物质的相互作用甚至可以在纳米尺度上进行控制。
获奖成果的重要意义
阿秒是目前人类掌握的最短时间尺度，一阿秒之于一秒相当于一秒之于宇宙寿命。目前在实验室能够实现的阿秒脉冲在100阿秒量级，如果进一步推进到10阿秒，就应该能够完全胜任对电子超快运动的研究了。对于基于电磁相互作用的物理现象，10阿秒大概可以被当成一个终极的超快时间指标了！相干光脉冲从飞秒进步到阿秒，不单是时间尺度的简单进步，更重要的是将人们研究物质结构的能力，从原子分子运动推进到了原子内部，可以对电子运动和关联行为进行探测，从而引发了基础物理研究的重大革命。
精密测量电子的运动，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为是人们追求的重要科学目标之一。有了阿秒脉冲，我们就能测量甚至操纵单个微观粒子，进而对微观世界，也就是一个被量子力学主宰的世界，进行更基础更具有原理性的观察和描述。
百年回眸：诺贝尔物理学奖
诺贝尔物理学奖自1901年起一年一度颁发。很多获得过诺贝尔物理学奖的发明和发现都促进了科技的发展，改变了我们的生活。
基本事实：
以下是有关诺贝尔物理学奖的一些基本数据：
1901至2022年间，共授出116个诺贝尔物理学奖。期间，由于战争等原因，1916、1931、1934、1940、1941和1942年度颁发本奖项。
116个物理奖中，47个由一位获奖者独享，32个奖由两位获奖者分享，37个奖由三位获奖者分享。
1901年以来，共有221位科学家荣获诺贝尔物理学奖。
约翰·巴丁（John Bardeen）是唯一荣获超过一次诺贝尔物理学奖的科学家（1956年和1972年）；玛丽·居里（Marie Curie）也两次获得诺贝尔奖（1903年物理学奖和1911年化学奖），不过并非全部获得物理学奖。
在221位获奖科学家中，仅有4位女性得主，她们分别是玛丽·居里（Marie Curie, 1903年获奖者）、玛丽亚·梅耶（Maria Goeppert-Mayer，1963年获奖者）、唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland，2018年物理奖得主）和安德烈娅·米娅·盖孜（Andrea Mia Ghez，2020年获奖者）。
最年轻的诺贝尔物理学奖得主为劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg），他与父亲威廉·布拉格共同荣获1915年诺贝尔奖时年仅25岁。
威廉·布拉格在英国利兹大学制作的首台X光仪
最年长的诺贝尔物理学奖得主是阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），他于2018年获奖时已达98岁高龄。
夫妻获奖者：玛丽和皮埃尔·居里于1903年一起荣获诺贝尔物理学奖。
皮埃尔和玛丽·居里在法国巴黎工业物理和化学学院 "机库 "里(照片摄于1898年）
父子获奖者：
威廉·布拉格和儿子劳伦斯·布拉格（1915年共同获奖）。
尼尔斯·玻尔（1922年获奖）和儿子奥格·玻尔（1975年获奖）。
曼内·西格巴恩（1924年获奖）和儿子凯·西格巴恩（1981年获奖）。
约瑟夫·汤姆逊（1906年获奖，左）和儿子乔治·汤姆逊（1937年获奖）
那些看上去高高在上、不食人间烟火的诺贝尔奖，其背后的科学研究正在改变我们的生活。
1901：人骨追踪
首位被授予诺贝尔物理奖项的科学家是德国人威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）。他发现了伦琴射线。即使到了今天，医生们仍然使用这种方法诊断患者牙齿根部是否有发炎状况。不过这种能量辐射有着或会致癌的缺陷。伦琴自己把这种射线叫做X射线，后人为了纪念这项发现，把射线做了重新命名。
1903：贝克勒耳和放射性
法国物理学家贝克勒耳（Antoine Henri Becquerel）发现了一些重金属原子核的自发放射性——比如图片上的铀。贝克勒也因此发现了放射性。居里夫人和她的丈夫皮埃尔对这种现象作出了更详细的研究。这三人之后都获得了诺贝尔奖。
1956：科技的飞跃
智能手机、手提电脑、平板电脑的诞生要感谢三个美国人：威廉·肖克莱（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)。他们首次发明了晶体管。像图片上的电脑处理器就是由数百万个晶体管而组成的。人们可以看到，一枚硬币要比一个晶体管大的多。
1964：激光的故事
简单来讲，很多向同一个方向运动的光线在一起就叫做激光。激光不仅仅能够产生幻美绝伦的视觉效果，让观众大饱眼福，而且还可以用来切割金属，在医学上，也可以利用激光烧去皮肤上难看的斑点。因为在激光科学上的巨大贡献，美国人查尔斯·汤斯（Charles Townes）和俄罗斯人巴索（Nikolai Bassow）和普洛科洛夫（Alexander Prochorow）共同获得了诺贝尔奖项。
1971：3D技术强大
全息摄影术的诞生要感谢匈牙利工程师丹尼斯·加博尔（Dennis Gábor）。他真切地再现了物体在三维空间中的真实现象。不过这种技术并不仅仅只是新颖的小玩意：纸钞借助具有3D效果的防伪手段，增加了不法分子造假币的难度。
1986：微型世界
德国人鲁斯卡（Ernst Ruska）带领我们看到了另外一番景象：他是电子显微镜的发明者。他的发明能够把小小的跳蚤放大数倍（见图）。人们可以利用电子显微镜看到肉眼看不到的东西。
1989：分毫不差
非常精确测量时间的基础是美国人诺曼·福斯特·拉姆齐（Norman Ramsey）奠定的。他发明了一个世界上最精准的原子钟。每年的误差最多只有25亿分之一秒。目前，德国的布伦瑞克（Braunschweig）坐落着四座原子钟。德国官方时间就是以它们为基准设置的。
2007：大容量，小型化
笔记本电脑的硬盘变得越来越小，但体积虽然缩小，但是硬盘的容量要比几年前大的多。其间的奥秘在于巨磁阻。人们制造出了一种可以产生巨磁阻效应的特殊结构硬盘。德国物理学家格林贝格（Peter Grünberg）和法国科学家费尔（Albert Fert）凭借这个发现获得了诺贝尔奖。
2009：光和电的互转
生于中国的美国物理学家高锟（Charles Kuen Kao）发明了光纤电缆。这种技术传输网页或是电话内容时不但速度快，信息也不会流失。电子数据会被转换成超短光脉冲，通过光纤电缆传输，当光波到达光纤末端时，又再次被转化为电脉冲。
2011：宇宙的奥秘
三位美国研究人员索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）、布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）因为发现宇宙不断的现象而获得了诺贝尔奖。不过科学家们至今仍不知发生这个现象的原因是什么。而找到答案的人一定能获得诺贝尔奖！
2013：上帝粒子
早在大约50年前，年轻的物理学家希格斯(Peter Higgs)和同事弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）就提出了至关重要的“希格斯波色子”理论（又称“上帝粒子”）。希格斯玻色子就像粘合剂一样，会减慢无数粒子飞行速度，使粒子获得质量。直到去年，欧洲核子研究中心（CERN）才证实了希格斯玻色子的存在。
2014：蓝色发光二极管（LED）
2014年的诺贝尔物理学奖被授予日本名古屋大学的两名教授赤崎勇和天野浩以及美籍日裔科学家中村修二，表彰他们在上世纪发明了蓝色发光二极管（LED），因此带来了新型节能光源。
2018: 超短波长激光和光学镊子
激光已经成为我们生活中一项必不可少的应用。加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）和法国科学家热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）所做的工作为产生人类有史以来波长最短、能量最高的激光铺平了道路。2018年荣获诺贝尔物理学奖的除了这两名科学家还有美国科学家亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin），他所发明的光镊具有广阔工业与医学应用前景。
2020年：宇宙的奥秘——黑洞
三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一，黑洞的研究，而共享今年的诺贝尔物理学奖。潘洛斯通过其发明的巧妙数学方法，来探索爱因斯坦的广义相对论。其研究揭示了广义相对论如何预测了黑洞的形成。根策尔和盖娅各自带领一群天文学家，从上世纪九十年代初就开始研究银河系的中心区域并证实了超大质量黑洞的存在。
2021年：理解复杂系统并预测其长期行为
复杂系统的特点在于随机性和无序性，其特性还包括难以理解性。本年度的物理学奖表彰了描述该系统以及预测其长期行为的全新方法。为我们更为深入理解复杂物理系统的特性和演变做出了贡献。"
2022年：让量子纠缠成为一个强大工具
参考资料：
https://www.nobelprize.org/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/
2022诺奖颁布时间：
据诺贝尔奖委员会官网发布，2023年诺贝尔奖评选结果宣布时间如下：
诺贝尔生理学或医学奖，10月2日，中欧夏令时（CEST）11时30分，北京时间17时30分；
诺贝尔物理学奖，10月3日，中欧夏令时（CEST）11时45分，北京时间17时45分；
诺贝尔化学奖，10月4日，中欧夏令时（CEST）11时45分，北京时间17时45分；
诺贝尔文学奖，10月5日，中欧夏令时（CEST）13时，北京时间19时；
诺贝尔和平奖，10月6日，中欧夏令时（CEST）11时，北京时间17时；
瑞典央行纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济学奖，10月9日，中欧夏令时（CEST）11时45分，北京时间17时45分。
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