阿托秒

时间单位

阿托秒（attosecond，as）又称阿秒、渺秒。

术语简介

阿托秒（英语：attosecond，as），是一种时间的国际单位，为 10-18秒，或 1/1000飞秒。比例上，一阿秒之于一秒，如同一秒之于 317.1 亿年，约为宇宙年龄的两倍。在10-18秒的时间尺度上控制并测量自然现象的科学，即阿秒科学。

术语起源

时间单位正变得越来越小。其实，它现在已经变得很小了：4年前，物理学家们想方设法制造出了激光脉冲，虽然它只持续了飞秒（1飞秒相当于10ˉ15秒）。在日常摄影中，照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这个速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作，当然一个超速运转的快球除外。同样，飞秒“闪光灯”还能够使用科学家们在微观物质世界里观察到一些以前从未见过的现象：振荡的分子、化学反应中原子形成的化学键以及其他超小、超快的事物。

超快的事物是不易把握住的。各种超快的事情都可能在一两飞秒之内发生，如果你的闪光灯太慢，你就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此科学家们正努力钻研，争分夺秒地研制更细微更精确的“时间窗”，用它来观察物质世界。由一些知名的物理学家们组成的国际攻关小组终于成功地突破了所谓的“飞秒障碍”。他们用一种复杂的高能激光发生器，制造出了能够持续多于0.5飞秒——精确地说是650阿托秒的光脉冲。长期以来，“阿托秒”一直作为一个理论上的时间量程而存在，而这次每个人都切实地感受到了它。发现者来自渥太华的Steacie的一名物理学家，也是这项研究的主要调查员之一——保罗*考库对此评价道：“它是物质真正的时间量程。我们正学会利用原子和分子本身的特点，来观察由它们组成的微观世界。”

虽然这一科研成果很少有人欣赏，但实际上，我们人类的生理功能却同时存在于——并且取决于——几个不同的时间量程。例如，普通人的心脏每秒跳动一次：闪电的速度是1/100秒；一台家用电脑能1纳秒内运行一个简单的软件指令；电路在1皮秒内开关若干次。时间单位正变得越来越小，人们越来越难于赶上它们的步伐。

历史沿革

20世纪60年代，激光的发明为科学家们跟上时间的节拍提供了一个推进力。最常见的激光是通过激发诸如氖气等惰性气体中的原子而产生的（其他种类的激光是以激发固体，如红宝石，甚至是有机染料等物质而产生的）。当原子被激发而“放松”后，它们中的电子又重新依序排列，这些被激发的气体产生出一种具有特定波长的光——可见光、微波、红光或蓝光——这全部要取决于相关的原子。一束激光可以迫使光波在介质中以同样的频率旅行，而且把它发出的光和热集中到一束强光内。

飞秒光脉冲

制造激光脉冲比较棘手。首先，物理学家们使用极小的镜子，以让光束在激光束内来回穿过自身。光波在那里相互干涉，波峰与波谷被调谐行趋于一致。然后，他们用那精致的超快的光栅除去杂波，只留下单一波长的光束通过。瞧，光脉就这样被制造出来了。

20世纪80年代末期，激光脉冲已经达到6飞秒的短暂记录。如今，科学家们在观察某个化学反应时，已不必再拿这个反应发生前和发生后的照片进行参照了——现在他们可以应用新的“激光脉冲摄影”技术，以观看慢动作电影的方式来观察这些化学反应的中间过程了。从那时起，生物学科学家们渐渐把研究重心集中到光合作用和其他分子反应的结构上，一门新的科学——“飞秒化学”就这样应运而生了。1999年，加州理工学院的艾哈迈德·泽维尔，通过一系列巧秒的实验揭示了化学键是如何断裂又是如何在100~200飞秒的时间内重新排列的，他也因此获得了那一年度的诺贝尔化学奖。

实用领域

飞秒脉冲已不仅仅被看做是一架照相机的快门或闪光灯，它已经发展成一种强大的的实用工具。它还是个钻洞高手，能钻出极小的孔洞：它的能量积聚得很快，让其周围的物质根本就没有时间来被加热，因此发生混乱或无效的情况较少。而且，飞秒脉冲只有约1/1000毫米长（与它相比，一秒钟光脉冲的长度相当于从地球到月亮的距离）。让我们把飞秒脉冲想象成是极小的炸弹。它们能聚焦并穿过透明材料的表面来点燃物质。我们还可以用飞秒脉冲来记录玻璃中的光学波导，这是一项进步，它能引起数据存储和无线通讯的革命。研究者们利用飞秒脉冲研究出一种新方法，可以直接在眼角膜上进行激光眼外科手术，而不会损坏眼角膜上而的组织。

对此，保罗.考库评价说：“（这种新方法）就如同你把手放进微小的生物组织中来做手术一样方便，而且这种手术耗费的能量很少。”

简而言之，对于操纵整个原子和分子不讲，飞秒可以说是游刃有余。但对那些比原子核小得多、轻得多、速度也快得多的电子感兴趣的物理学家们来说，这种时间量程还是太慢了。于是，我们就进入到了“阿托秒”的研究领域。理论家们一直怀疑，飞秒大小的可见光脉冲组成的，就像一个音符包含着许多谐音。但问题是我们如何来测量它们——它们所发出的电磁和声波非常微弱，另外它们发出的紫外线和X射线的波长太短以至于我们难以觉察。

利用一个经过修正的干涉计（一种用于激光的特殊滤光器），克罗兹和他的同事开始搜寻阿托秒。他们首先向一股氖原子流中发射了超短波长（7飞秒）的红色激光脉冲，来剥离的电子就被激光脉冲携带，并几乎立即被重新射入到氖原子核内。这种效果有些类似于用箭射一只铃铛。用电子轰击氖原子核的结果，正如预期的那样，产生了X光和远紫外线的高频谐波。接着，物理学家们过滤了这些谐波光，只允许他们精选的X光脉冲——包括一个只有650阿托秒长的X光脉冲——通过。

在物理学家捕捉到阿托秒冲的同时，他们也论证了其效用。他们把阿托秒脉冲和波长较长的红光脉冲同时瞄准一种氪原子，踢开了电子；而红光脉冲则撞上了电子，只是试探了一下它们的能量。从这两个脉冲时间上的差别判断，科学家们获得了一个非常精确的测量数据，知道了电子要花多久（多少阿托秒）才会衰退。此前科学家们还从不没有利用这样短的一种时间量程来从事电子动力的研究。

这个实验在物理学界引起了很大的反响。美国Brookhaven国家实验室的一位物理学家易斯.迪罗对此赞赏道：“阿托秒为我们重新认识电子带来一种新方法。它正成为一种新的物质探测器，不久就会在科学界得到广泛应用。“阿托物理学”的纪元来到了。”

物理学家们希望能够做到的不仅仅是了解电子得失能量的情况。克罗兹说：“我们不仅要用阿托秒脉冲来追踪这些微观粒子运动的过程，还要用它来控制原子被激发后的缓释作用。这真令人兴奋不已。”举例来说，通过控制原子，在阿托秒这种时间量程上释放出X射线，来建立一个有效的X射线激光器，这是物理学家长久以来的梦想。从事半导体事业的人们渴望加速计算机芯片、晶体管和其他电子在我们看来简直就是些慢吞吞的家伙。克罗兹说：“当你进入更微观的物质结构中，比如在原子核中，你就会发现一些粒子的运动速度会更快。那时我们在核子物理学中所选用的将是几种更微小更精确的时间量程，届时我们将进入zepto秒的王国。”

2025年1月10日，国家重大科技基础设施——先进阿秒激光设施在广东东莞正式开工建设。

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