看过电影《功夫》的人,可能会对火云邪神“徒手抓子弹”的剧情印象深刻。我们知道,子弹的速度大约为800米/秒。假设人和子弹的距离是0.1米,子弹到人的时间大约为0.1毫秒。而人眼的最大时间分辨率仅为42毫秒,根本无法看清这么快的运动。这就好似将划着的火柴晃过眼前,我们感受到的只是一条亮线,无法看清每一刻火柴的运动。
因此,想要欣赏“徒手抓子弹”的过程,就需要借助高时间分辨率的相机。不同的时间分辨率,对应不同的物理过程,也对应不同层次的物理世界:机械快门使我们看到动物的运动,闪光灯使我们看到流体运动,飞秒激光使我们看到化学键的断裂过程。就在10月3日,诺贝尔物理学奖授予在阿秒科学领域作出杰出贡献的3位科学家,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”。
什么是阿秒?1阿秒是10的负18次方秒,也就是十亿分之一秒的十亿分之一。如果将1阿秒与1秒相比,相当于将1秒与宇宙的年龄相比。光速是我们已知物体速度的极限,从地球到月球仅需1.28秒。而1阿秒中,光只能从原子的一端传播到另一端。在这3位科学家的努力下,光脉冲已经可以达到阿秒级。那么,创造如此短瞬间的光脉冲有何意义?
在物质的微观世界里,粒子都是以极高的频率在移动。原子运动的时间尺度是飞秒,即10的负15次方秒,用激光脉冲(飞秒激光)可以观察。但电子的运动比原子的运动还要快,因为电子运动的时间尺度是阿秒。电子在原子或分子内部运动如此之快,以至于在飞秒级的光脉冲观察下还是模糊不清。科学界认识到,需要全新的技术以观察到电子的运动。
目前唯一可直接测量电子超快行为的工具就是阿秒光脉冲。利用它,科学家可以实现对分子结构成像、超快现象泵浦探测、PHz(拍赫兹)光电开关等超快过程的测量和控制。阿秒科学为我们理解微观世界的运动机制提供了工具,有望在高温超导和高效率光伏材料的研制、超快计算机技术的突破、生物变异和癌症发病过程的调控等诸多领域引发一场革命。
(作者系西北民族大学电气工程学院学生)
(编辑:马永)
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