編者按：2023年5月起，“學(xué)習(xí)強(qiáng)國”學(xué)習(xí)平臺與中國科學(xué)報(bào)社聯(lián)合發(fā)起“科學(xué)家回信”活動(dòng)，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學(xué)家、科技工作者提問、留言?；顒?dòng)啟動(dòng)后，“學(xué)習(xí)強(qiáng)國”“科學(xué)網(wǎng)App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者蒯詩杭的提問，請上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授、研究員潘義明發(fā)出第四十四期回信。
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讀者蒯詩杭：2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了阿秒物理，阿秒物理是什么? 對我們普通人的生活有什么影響嗎?
潘義明：簡單說，阿秒是個(gè)非常短的時(shí)間單位。阿秒是目前已知光學(xué)脈沖可控的最小時(shí)間單位，1阿秒等于10-18秒，或者說，將1秒分成100億億份，1阿秒只占其中的1份。
人們用這樣一個(gè)極短的時(shí)間單位來定義某一個(gè)物理學(xué)分支，有其重要意義和價(jià)值。
不同的時(shí)間單位應(yīng)用于不同的場景。我們熟悉的時(shí)間單位如年、月、時(shí)、分、秒，可用于計(jì)量我們身邊世界。隨著人們認(rèn)知疆域的拓展，探索觸角進(jìn)入分子、原子的世界，想在原子尺度內(nèi)(10-10米)了解一些生命現(xiàn)象、掌握一些化學(xué)反應(yīng)過程，就需要進(jìn)行飛秒（10-15秒）甚至阿秒時(shí)間尺度內(nèi)的物理研究。
比如，在氫原子和氧原子結(jié)合形成水的化學(xué)反應(yīng)過程中，從分子、原子或更小尺度看，氫鍵如何斷裂，與氧離子結(jié)合并形成水分子，這個(gè)過程非常短暫。但它需要的時(shí)間，差不多是飛秒量級。
通常，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度就以飛秒為基本單位。1999年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail），以表彰他應(yīng)用飛秒激光閃光成相技術(shù)(pump-probe technique)，觀察到分子中的原子在化學(xué)反應(yīng)中如何運(yùn)動(dòng)，從而有助于人們理解和預(yù)期重要的化學(xué)反應(yīng)，并為整個(gè)化學(xué)及其相關(guān)科學(xué)帶來了一場革命。
我們知道光有熱效應(yīng)，比如，曬太陽時(shí)，陽光“打”到皮膚表面，我們能感覺到溫暖。實(shí)際上是太陽光被人的皮膚分子吸收，然后分子開始振動(dòng)并產(chǎn)生熱能。這些熱能被神經(jīng)系統(tǒng)捕捉我們就能感受到溫暖。人們用同樣的原理進(jìn)行激光精密器件加工，要把器件表面切割得比較光滑，激光照射的時(shí)間就不能過長，因?yàn)檎丈鋾r(shí)間過長會(huì)使切口附近的分子振動(dòng)、融化。
所以進(jìn)行精密加工時(shí)用非常強(qiáng)的激光脈沖，瞬間把不需要的部分切掉，讓它周圍分子來不及產(chǎn)生熱效應(yīng)就完成了。此外，在醫(yī)學(xué)臨床上，人們用激光進(jìn)行腫瘤切除手術(shù)、美容美膚等，也是利用極短的飛秒激光來完成的。
從古希臘開始，人們就提出“原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元”。但那時(shí)沒有人看得到原子，也不知道它是什么樣，“原子”只是假說。后來，人們基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺?shí)驗(yàn)看見原子，物質(zhì)結(jié)構(gòu)確實(shí)是這樣。隨著人們一步步提高時(shí)空的分辨能力，突破更微小時(shí)間和空間的尺度，我們能在原子尺度看到物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，比如，看到原子里電子如何繞著原子核運(yùn)動(dòng)，這就需要亞飛秒到阿秒的時(shí)間“尺子”去度量。
就像人們早期看賽馬時(shí)，想知道賽馬奔跑時(shí)四只蹄子能否同時(shí)懸空。因?yàn)轳R跑得太快了，靠肉眼根本看不清楚，后來人們發(fā)明了快門速度達(dá)到千分之一秒的高速相機(jī)，才把賽馬奔跑的實(shí)際情況記錄下來。當(dāng)人們研究的視野達(dá)到原子和亞原子尺度，就需要阿秒科學(xué)中發(fā)展出來的技術(shù)了。它相當(dāng)于一個(gè)速度極快的快門，能在10-18秒的時(shí)間內(nèi)打開，讓激光發(fā)射出去再迅速關(guān)閉，形成一個(gè)極短時(shí)間窗口的光脈沖，并用這個(gè)脈沖去激發(fā)原子內(nèi)部的電子，讓電子從一個(gè)量子狀態(tài)跳到另外一個(gè)量子狀態(tài)，并且可以精準(zhǔn)地操控它。
現(xiàn)代物理學(xué)有兩塊基石：相對論和量子力學(xué)。其中，量子力學(xué)研究的就是空間上達(dá)到分子、原子量級（單個(gè)原子的空間尺度約10-10米），同時(shí)在時(shí)間尺度上是飛秒到阿秒的尺度。我們要了解原子的內(nèi)部以及核外電子的運(yùn)動(dòng)，掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，甚至要操控原子，需要的時(shí)間精度就是阿秒時(shí)間尺子，空間精度則接近一個(gè)原子。
目前，人們還沒有真正看到電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的這些現(xiàn)象，要弄清這些核外電子如何從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級，掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律甚至能精確操控原子、電子，我們就需要大力發(fā)展阿秒物理，從被動(dòng)地發(fā)現(xiàn)一些物理化學(xué)變化規(guī)律，到主動(dòng)地用這些阿秒現(xiàn)象去設(shè)計(jì)和發(fā)展一些功能技術(shù)和器件來，并制造出一些人類或者自然界無法自發(fā)產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物現(xiàn)象來，將是非常吸引人的。
阿秒物理作為科研人員探索世界的新工具，目前還處于前沿研究階段。因?yàn)榘⒚爰夹g(shù)難度非常大，所需設(shè)備造價(jià)昂貴，導(dǎo)致科研“門檻”很高，所發(fā)展的技術(shù)暫時(shí)還沒有應(yīng)用于人們的日常生活。
雖然這一項(xiàng)研究距離普通人的距離還有些遙遠(yuǎn)，但科研人員對于阿秒物理的探索，推動(dòng)了不少飛秒激光技術(shù)，使得飛秒得到應(yīng)用和普及。比如，飛秒激光切割、激光近視矯正手術(shù)出現(xiàn)在我們生產(chǎn)生活中。當(dāng)前臨床上使用的二氧化碳冷分子激光手術(shù)其實(shí)是種飛秒激光技術(shù)。因?yàn)轱w秒激光手術(shù)時(shí)間短，因此手術(shù)過程中人們完全感受不到疼痛，同時(shí)能完成精準(zhǔn)切除。
阿秒比飛秒時(shí)間尺度更短，能看清更快、更小尺度的現(xiàn)象，甚至能原子尺度內(nèi)進(jìn)行切割，如果將來應(yīng)用到精密加工或醫(yī)學(xué)上，會(huì)有更好的精度。另一方面，如果人們掌握了原子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，知道原子怎樣結(jié)合，掌握了原子內(nèi)部的量子操控技術(shù)，就可以自由地控制電子進(jìn)行量子躍遷和隧穿。就像用膠水黏東西一樣，把不同原子在根基上黏在一起，按照人們需要去設(shè)計(jì)新的原子分子；像兩種作物嫁接那樣對原子進(jìn)行某種意義上的“嫁接”，像“拼樂高”一樣制造新藥物、開發(fā)新材料。
這個(gè)過程可能會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新的物理規(guī)律，催生很多遠(yuǎn)超我們?nèi)粘Ｏ胂蟮男率挛?。甚至可以說，在學(xué)術(shù)意義下都是新的。
潘義明 上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授、研究員，上海市領(lǐng)軍人才。研究方向?yàn)槌祀娮邮{(diào)控和量子光學(xué)的相互作用，量子模擬和拓?fù)涔鈱W(xué)，非線性光學(xué)等。在《物理評論快報(bào)》《自然-物理學(xué)》《自然-通訊》《先進(jìn)材料》等發(fā)表30多篇論文，擔(dān)任《自然-物理學(xué)》《自然-通訊》《物理評論快報(bào)》等雜志審稿人。目前正在發(fā)展基于拓?fù)湮⒓{光子學(xué)的超快電子顯微鏡，電介質(zhì)激光加速器、量子自由電子激光器等量子聯(lián)合平臺。
本文鏈接：科學(xué)家回信|潘義明：對阿秒物理的研究推動(dòng)飛秒技術(shù)的應(yīng)用和普及http://m.sq15.cn/show-11-3266-0.html
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