从2023诺贝尔物理学奖角度谈谈 - “时间”

Hello，大家好，这里是Masir的公众号，这一讲我们来插播解读一下今年诺贝尔物理学奖的故事与发现。

北京时间10月3日17时45分，瑞典皇家科学院宣布，2023年诺贝尔物理学奖花落美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯普朗克量子光学研究所和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）以及瑞典隆德大学的安妮·勒惠利尔（Anne L’Huillier），用于表彰他们在电子动力学方面的成果。

他们主要创建了极短光秒冲——阿秒脉冲的方法，为人类探索微观世界提供了坚实的工具。

阿秒光脉冲是什么？

阿秒光脉冲是一种持续时间非常短的激光，是国际单位制中的时间单位，等于1×10^(−18) 秒，所以阿秒是以这个时间来衡量一次光脉冲从出现到结束的时间。

为什么人类需要这么这种技术？

因为人类需要解决一些微观粒子运动的问题，我们物理学专栏反复谈过，也许微观的研究将会是人类认知宇宙的桥梁。

这一次诺贝尔物理学奖的所聊到的信息我看完之后颇受启发，因为让我重新了解了时间！

接下来我们慢慢由浅入深来谈谈这个问题吧。

说起时间，我们能想到的物理学知识太多了，如 Ft = mv、S = vt 等等，这都是我们生活计量标准。

更重要的是时间t，时间t的单位一般是秒，秒是国际单位制中时间的基本单位，符号是s。

你知道为什么人类所定义的时间为秒吗？这也和它的起源有关系。

在机械钟表之前，巴比伦人采用了六十进位制，但他们并没有将时分为60分。

真正将一日分为24小时的是古埃及人，他们将一天分为12时的白天和12时的夜晚。

古希腊天文学家，如希巴谷和托勒密，进一步定义了太阳日的24分之一为时。

在十六世纪的后半，随着机械钟表的出现，人们首次能够精确到秒的时间。

1967年的定义：在第13届国际度量衡大会上，秒的定义是铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

为了继续精细对秒的定义，到2018年又进行了一次更新——第26届国际度量衡大会上，秒的定义进行了微调，定义为未受干扰的铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

同时，铯原子必须在绝对零度时是静止的，且在地面上的环境是零磁场。

以上就是我们对时间秒的基本认知。

有意义的地方就是，我们人类的眼睛，他是可以观测一秒内的所发生的事情，比如，我在t0=0 到 t1=1 这个时间段来检测汽车等物体的位移，或者我在这一秒写了多少个字。

其实你会发现一秒内对于运动的物体而言其实这个单位足够充裕了，当然这是在宏观角度。所以在运动场上我们的计时就会变成几秒几分，比如当年刘翔跑了12″91。

那再快点呢？

（蜂鸟高频振翅）

世界上煽动翅膀最快角蜂鸟，每秒煽动翅膀的频率可达90次。对于人类的感官来说，极短的事件不可能用肉眼观察到。

所以这个时候我们需要使用专业的技术技巧来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间，比如高速相机。

如果一个高速相机的帧率是1,000帧每秒（fps），那么它拍摄一张图像所需的时间是：1/1,000=0.001秒，即1毫秒。

那么这里就要展开谈谈光。

今天最快的阿秒激光一次脉冲持续的时间仅为43阿秒，这种超短的脉冲时间使得阿秒激光能够捕捉到电子的超快速动态过程。

是人类有史以来创造的最短受控事件，也就是说在这段时间里，就算是运行速度最快的光在真空中也只飞行了13纳米的距离。如果这个最短受控时间相当于1秒，那真实的1秒就相当于7.4亿年。震撼吧！

一阿秒如此短暂，以至于一秒包含的阿秒数量与宇宙自138亿年前诞生以来经历的秒的数量一样多。更贴切一点，我们可以想象，一束光从房间的一端到达对面墙上需要一百亿阿秒。

[电子在原子和分子内的运动如此迅速，只能用阿秒测量。1阿秒之于1秒正如1秒之于宇宙的年龄（138亿年）。图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院]

在一个分子中，原子的运动可以用激光产生的最短脉冲来研究；

当电子在原子或分子内部移动时，其速度如此之快，以至于其发生的变化在飞秒（千万亿分之一秒，10的负15次方秒）内变得模糊不清。

在电子的世界中，位置和能量在一到几百阿秒内发生变化。

光的脉冲持续时间短，就好像照相机的快门敞开再闭合的时间短一样有意义，因为很多测量行为都是用光射过去，然后等待它返回，中间的时间差就是我们分辨物体运动的最小分辨率。

所以阿秒激光让人们可以把原子的各种变化拍成慢镜头，然后再仔细研究整个过程。

而这次诺奖颁发给阿秒光脉冲主要原因是依据这个原理已经制造设备，已经为千百种科学实验大幅提高了测量精度，具有很高的现实价值。

我们知道，光是一种电磁波，它是由电场和磁场振动形成的，而且，光在真空中的速度比其他任何东西都快，目前也称为宇宙第一速度。

不同光具有不同的波长，而不同波长就会呈现不同的颜色。例如，红光的波长约为700纳米，是一根头发丝宽度的百分之一，它以每秒约430万亿次的速度循环。

1987年，勒惠利尔发现，当她将红外激光透过稀有气体时，会产生与以前实验中所不同的“谐波”。正是这些“谐波”，使我们能够捕捉到在吉他和钢琴上演奏相同音符时出现的差异。

每个“谐波”是激光中每个周期具有给定周期数的光波，它们由激光与气体中的原子相互作用引起，这些相互作用赋予一些电子额外的能量，这些额外的能量然后会以光的形式散射出去，而这些来自电子的光脉冲是“谐波”出现的原因。

详细点说是这样，当激光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振荡，扭曲原子核周围电子的电场，其电子从原子中逃逸出来。

然而，激光的电场是持续振荡的，当它改变方向时，松散的电子可能会冲回原子核。在电子的运动过程中，它从激光的电场中获得了大量额外的能量。

为了重新回到靠近原子核的基态，电子必须以光脉冲的形式释放多余的能量。这些来自电子的光脉冲产生了实验中出现的谐波。

一旦这些谐波出现，它们就会相互作用。当光波的峰值叠加时，产生的光就会变得更强，但当一个光波的波峰与另一个的波谷叠加时，产生的光就不那么强。（这个知识我们高中时候就知道）

在适当的情况下，谐波重合，从而出现一系列紫外光脉冲，其中每个脉冲的周期为几百阿秒。物理学家在 20 世纪 90 年代就理解了其背后的理论，但真正的突破发生在 2001 年，那时，科学家才真正识别并测试了这种脉冲。

Pierre Agostini 和他在法国的研究小组成功地制造出了一系列连续的、像是多个车厢串联的火车一样的光脉冲，并对其进行了研究。

他们使用了一种特殊的技巧，将这个“脉冲列车”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以查看谐波如何彼此同步。他们还测量了“脉冲列车”中脉冲的持续时间，发现每个脉冲仅持续 250 阿秒。

费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和他在奥地利的研究小组正在研究一种可以挑选单个脉冲的技术——就像将火车上的一个车厢脱开并将其切换到另一条轨道一样。他们成功分离出了持续 650 阿秒的脉冲，并成功用它来跟踪和研究电子脱离原子束缚的过程。

使用最短光脉冲探索电子的世界及实验装置示例。图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

总结：

这次诺奖颁给的阿秒激光是今天物理学中用时间尺度研究分子转动，电子运动的唯一手段，如果脉冲还能继续缩小，甚至可以用来研究原子核内粒子的运动。

我想这对物理学在微观尺度的研究将会是巨大的机会，也许在量子力学角度也会有巨大收获，我们拭目以待啦。

好，今天就像这样了！