阿秒光脉冲是个啥？尹哥关于2023年诺贝尔物理学奖的解读来了

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简单一句话，阿秒光脉冲，即在极限的时间确定光。

今年的颁奖词是：表彰三位科学家“开发了产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”。

获奖者是在阿秒光脉冲实验方面作出重大贡献的三人，美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）教授、德国马普量子光学研究所的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）教授以及瑞典隆德大学的安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）教授。尹哥在前几天作诺奖预测的时候也将此领域列为重要的候选，不过列出的三个候选人是去年曾获得沃尔夫物理奖的费伦茨·克劳斯、安妮·呂利耶以及本次未获诺奖的保罗·科克姆（Paul Corkum）。

此次新列上的获奖者阿戈斯蒂尼教授出生和求学于法国，但此后长期在美国工作，他的主要贡献是在2001年“成功产生并研究了一系列连续的光脉冲，每个脉冲只持续250阿秒”。值得一提的是，阿戈斯蒂尼的个人介绍在网络上能查到的有限，就连WIKI页面都是获奖后新建的。

德国马普量子光学研究所的克劳斯教授是匈牙利裔奥地利人，他的团队于2000年代早期产生并测量了第一个阿秒脉冲，这使得在原子尺度上实时观察电子运动成为可能，由此他得以利用阿秒脉冲观察氪原子在去除一个内核层电子后内部电子的重新排列。

瑞典隆德大学的呂利耶教授则出生于法国，但长期在瑞典工作，她也是最早通过实验证明高阶谐波、形成阿秒脉冲的科学家之一。

至于在理论和实验方面均做出过突出贡献，提出了多种产生阿秒脉冲激光的方法，且身为阿秒物理另一奠基人的加拿大物理学家科克勒此次为何没能一同获奖，我觉得颁奖委员会还欠大家一个解释。当然，有业内人士认为，原因之一很可能是评委会此次更加偏向于给做实验的，再加上诺奖无法同时颁给四位，提出“三步模型”理论的科克姆自然就无缘了。

光在真空中，1秒可以走将近30万公里，而1阿秒只能走0.3纳米！

古印度佛教中记载的一刹那，相当于当下0.013秒，也就是13毫秒。而经典的《仁王经》中提到：“一弹指六十刹那，一刹那九百生灭”，算得事相的生成消灭率为每秒216,000次，或说每次生灭约4.6微秒。这样算下来都比今年诺奖物理奖阿秒大很多很多了。故一些佛教人士认为《仁王经》的说法是释迦牟尼的“方便说”，不是“真实说”。

我们先来一起熟悉下，关于计量的常用数量级。比如“秒”，毫秒/毫米，10^-3，微秒/微米，10^-6，纳秒/纳米，10^-9，皮秒/皮米，10^-12。再往下就是飞秒。

大家应该听说过飞秒吧，比如做近视眼手术的飞秒激光。飞秒是20世纪80年代初出现的，是10^-15；而阿秒，则是10^-18。在超短脉冲激光技术出现之前，人们利用高速摄像技术可达到微秒乃至纳秒量级的时间分辨率。但对于原子分子尺度微观运动的观测需要进一步达到皮秒乃至飞秒量级的时间分辨率。而对于核外电子动力学测量，则需要阿秒量级的时间分辨率。比如氢原子的电子绕核一圈需要152阿秒。目前实验中的最短激光脉冲大概几十阿秒，所以这意味着我们能够“看”（检测）到电子的运动！

简单说来，阿秒光脉冲是一种发光持续时间极短的光脉冲，这种超快超短的光脉冲有助于提高人们观察微观粒子高速运动的时间分辨率。如同新型的高速相机能让人们得以记录下高速的子弹等肉眼难以企及的快速事件，超快光脉冲的出现使得把化学反应过程拍成“电影”并对整个过程进行研究成为可能。

其实早在上世纪80年代末，加州理工学院的泽维尔教授便采用飞秒激光技术拍摄到了100万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子化学键断裂和形成以及单个原子的运动过程，并因此荣获1999年的诺贝尔化学奖。现今有了阿秒光脉冲的加持，人们自然还可以更加深入地观察物理和化学反应过程中电子的运动并对其进行控制。

这是一个过于微观和前沿的科学，对于有关产生亚飞秒甚至阿秒极端超快相干脉冲（或称为阿秒激光）的领域研究，一直饱受关注，早在其刚问世不久的2002年，便先后被美国《科学》杂志和英国《自然》杂志评为世界“十大科学突破”之一。

当然，这个领域进展迅猛，新闻层出不穷，而欧洲科学家无疑是此领域的领头羊，相关研究接连打破该领域的纪录。如2017年，美国及瑞士的研究小组采用1.8μm波长的红外飞秒激光作为驱动光源，先后报道了53阿秒及43阿秒的最短脉冲世界纪录。

而在我国，此领域其实也有着不错的发展和布局。目前我们国内阿秒光脉冲大概是70阿秒的量级。2020年时，华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所便相继实现了孤立阿秒脉冲的测量。其实近来，国内正在大规模地开展有关阿秒光源的基础设施建设，如中国科学院物理所在东莞松山湖的阿秒科学中心、西安光机所阿秒科学与技术研究中心及北京怀柔综合极端条件实验平台的百阿秒装置。

毕达哥拉斯曾言：万物皆数。

自然科学领域则有这样一句：当一个学科可以被最高自然语言，即数学所描述的时候，这个学科就进入到快速发展期，生命科学正在迈入这个阶段。

可能很多朋友不知道，数学并不属于科学范畴，它是原本就存在于我们世界里的确定规则的阐述。我们用数学描述这个宇宙的种种实在时，就诞生了万物之理，即物理。物理的最基本的规则框架之一，就是量纲。

量纲（dimension）是指物理量的基本属性。最早是由傅里叶提出来的。没错，就是我们经常在科幻电影听到的傅里叶变换的这个傅里叶。

当下的物理，确定了7个基本量的量纲分别用长度L、质量M、时间T、电流强度I、温度Θ（小写θ）、物质的量n和光强度J表示。

比如：1米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内的行程；1秒是铯-133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770周期的持续时间。

你可能会问，1米不是用尺子量了来确定的啊？没错，在日常生活中，你当然可以用各种尺子来确定一米大概是多少，但这个尺子又如何保证自己的准确呢？特别是还要考虑材料的热胀冷缩等属性。所以经过不断改进方法，如今的标准米是用时间来确定的，类似“距离=速度×时间”，这里的速度是通过光速这个常量来计算的。

我们日常用得最多的单位，大抵就是个十百千万。在计算机领域，我们会用到千进制，如K-M-G-T-P-E-Z-Y，到了Y就是10²⁴或者说2⁸⁰，但这还远远不是最大的。

比如：在汉语体系的1兆=1亿亿，这个用法在古代中国文献《孙子算经》中记载：“凡大数之法，万万曰亿，万万亿曰兆，万万兆曰京，万万京曰垓（gāi），万万垓曰秭（zǐ），万万秭曰穰（ráng），万万穰曰沟，万万沟曰涧，万万涧曰正，万万正曰载。”由小到大依次为一、十、百、千、万、亿、兆、京、垓、秭、穰、沟、涧、正、载、极、恒河沙、阿僧祇、那由他、不可思议、无量大数，万以下是十进制，万和亿之间为万进制，即万万为亿，亿以后为亿进制，即亿（万万）亿为兆，亿（万万）兆为京，亿（万万）京为垓以此类推到载。

其实到了那由他，是印度记数单位，意为“多到没有数目可以计算”。元代数学家朱世杰则创造了不可思议这个单位；而再往上就有了无量、大数这样的。还有无边、无数、无知、无想，无觉。相互之间都是万进制。

还要提一句古戈尔，大家应该知道google吧，是指1后面有100个0，是最大的计数单位。

小数点以下为“十退位”，名称依次为分、厘、毫、丝、忽、微、纤、沙、尘、埃、渺、莫、模糊、逡巡（qūn xún）、须臾、瞬息、弹指、刹那、六德、空虚、清静、涅槃寂静。恒河沙、阿僧祇、那由他、不可思议、无量等很明显是受了佛经传入中国的影响。

阿秒之下，当然可以再细分，还有仄秒（10^-21）和幺秒（10^-24）。那是不是说，可以一直这样分下去呢？

四方上下曰宇，古往今来曰宙。还在尹哥小的时候，尹哥的爸爸就这样给我解释宇宙，宇是无限空间，宙是无限时间。宏观无限大，微观无限小。随着对自然科学的理解加深，尹哥知道了至少在当下已知的科学范畴内，宇宙不是无限久和无限大的，比如只有136亿年的时间，比如只有920亿光年的直径。更有趣的，微观也不是无限短和无限小的，它们逃不开普朗克常数（h=6.62607015×10^-34 J·s），以及由它确定的普朗克时间和普朗克长度。也就是，这个世界是一份一份“量子”组成而不是连续的。

诺贝尔奖是当今世界最重要的科学奖励系统，获奖成果基本上代表了人类科学研究在相关领域的最新成就和最高水平。相比于奖项本身，诺贝尔奖更大的意义是弘扬科学精神，让更多的人去了解这个时代的杰出发现和杰出人才。

每一年，大家都会预测诺奖。其本质不仅仅是好奇，更重要的，是去理解世界科研的脉络，是去看看哪些假说又被证明实现，去看看理化天地生有哪些重大进展。

此外除了诺奖，还有很多其他科学类奖项，比如我国的最高科学技术奖，美国的拉斯克奖、图灵奖等。此外也有很多伟大的科学发现未获得诺奖，比如爱因斯坦的相对论（他获诺奖是因为光电效应），也有很多大师因为各种原因，包括过早死亡而未获诺奖，1974年后，诺贝尔基金会决定原则上不再颁给已过世的人。

在我解读生理学或医学奖的时候，提到今年考虑通胀又加了100万瑞典克朗奖金。很多小伙伴就问到，这个很人性哈，但诺贝尔奖发了120多年，为什么奖金还没花完？

确实没有，诺贝尔奖基金会的理财能力还是很强的，当然这里说的是1953年之后，其投资组合包括股票、债券、房地产……此外，诺贝尔奖竞猜在很多国家也确实是合法赌博项目……这次加这100万的瑞典克朗，他们还特别说，是在财务允许范围之内的。

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