在自然科學中，我們會遇到各種時間尺度。最長的時間是宇宙壽命，目前的共識是一百三十億年，也就是4乘10的17次方秒。而最小的時間尺度是所謂普朗克時間，5乘10的負44次方秒。那是目前物理理論所能研究的極限。這兩個極限之間差了61個數量級。 不同時間尺度需要不同的研究方法。在最大的時間尺度，我們通過大爆炸的遺蹟——背景輻射來追尋宇宙的歷史。這方面的工作得了好幾個諾貝爾獎，最近一次是2019年（見我的介紹：https://blog.creaders.net/u/1030/202008/383002.html）。 而極小的時間尺度，目前仍然是物理測量技術的前沿。上一個里程碑，是獲得1999年諾貝爾化學獎的飛秒（10的負15次方秒）頻譜研究。而2023年諾貝爾物理獎，就是嘉獎突破了阿秒級（10的負18次方秒）物理測量技術的三位科學家：皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）。 按照量子力學理論，時間尺度與能量尺度是緊密相關的。在原子物理中，涉及的能量通常在幾百到幾千電子伏。其對應的波函數震盪周期就在１０阿秒到１阿秒。所以，要給原子物理過程“拍照”，我們就需要阿秒尺度的照相機和閃光燈。2023年獲獎的工作，就是開發和應用了這種時間超短而且功率超高的光學脈衝。 按照傅里葉變換理論，極短的脈衝意味着極寬的頻譜。但目前高強可控的光學輻射都是由激光而來的。怎樣把單色的激光變成頻譜極寬的超短脈衝呢？在1987年，獲獎者呂利耶發現，用高強度紅外激光照射某些介質會產生很多更高頻率的諧波，一直延伸到極紫外波段。而這些諧波就有望組合成超短光脈衝。在後來的十多年中，人們對這種現象的機制有了進一步觀測和理論分析。終於在2001年，獲獎者阿戈斯蒂尼和克勞斯分別成功產生了250阿秒寬度的重複脈衝和650阿秒寬度的單個脈衝。因為它們是由諧波合成的，所以那些重複脈衝與“輸入”的紅外激光有固定的相位關係：在紅外光的每個周期（飛秒尺度）都有一個或兩個極紫外波段的阿秒級脈衝。又過十多年後，光脈衝寬度降到了幾十阿秒。同樣尺度的電子脈衝也實現了。我們終於有了探測原子中電子運動的工具。 除了產生超短脈衝，獲獎者們在應用方面也做了很多工作。要觀察原子中電子的躍遷行為，我們的觀察還需要與電子運動同步。幸運的是，因為我們有相位鎖定的兩束光（紅外激光和阿秒脈衝），我們可以用阿秒脈衝來觸發某種過程（如電離），而用紅外激光與電子的相互作用作為探頭。電子被阿秒脈衝踢出原子內層，然後在紅外激光的“引導”下吸收或放出紅外波段的光子。通過測量最終電子的速度或動能，我們就知道它與紅外激光互動的情況。然後我們可以改變阿秒脈衝與紅外激光的相位關係，觀察電子的反應。這樣就間接觀察到電子被激發後的運動過程。另一種方法是用一個阿秒脈衝來觸發，而觀察受激電子與稍後另一個阿秒脈衝的相互作用。還有一些巧妙的實驗設計，讓我們能“拍攝”到原子內阿秒級電子活動的“影片”。這些技術都涉及多個光子的吸收和發射，不是我們熟悉的光譜測量。其中的理論分析也非常燒腦。 如果我們激發原子內層電子並記錄它飛到外部的“旅程”，它就成了我們的“探針”，揭示了飛行途中其它電子和臨近原子的狀態。這樣，我們觀察物質結構和化學反應過程就多了一個工具。同樣，超短脈衝也能作為觀察固體內電子態的工具，讓材料科學如虎添翼。 除了作為測量工具，超短脈衝也可以用來操控。一組精密同步的阿秒脈衝“交響曲”可以觸發不可能自然發生的化學反應。阿秒脈衝也可能被用來控制集成電路芯片裡的電子運動，把現在的運算速度提高几個數量級。當然目前這些還都是想象，要付諸實際還有很多技術難關要克服。 阿秒脈衝也帶來很多理論上的挑戰。阿秒脈衝本身是非線性光學的產物，也得益於後者的理論突破。反過來，它在時間上的高度集中提供了更高的瞬時功率，從而為非線性光學實驗提供了新工具。阿秒尺度實驗的設計和結果解釋也需要高深的量子物理和半經典物理分析。所以，可以說阿秒脈衝為非線性光學開闢了一個新的領域。 阿秒脈衝是本世紀出現的，目前還處於發展階段。從事這方面工作的實驗室也還不多。2023年的諾貝爾獎，更多是認可了這個領域的前途。目前除了發展各種應用之外，人們也已經開始向更小的時間尺度（仄秒，10的負21次方秒）進軍。希望這個物理 “新疆界” 的推進，會為我們研究原子物理，化學和材料科學帶來更強大更精細的工具。
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