2023年諾貝爾物理學獎由三位科學家分享。瑞典皇家科學院3日宣布，將今年的諾貝爾物理學獎授予美國俄亥俄州立大學教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、德國慕尼黑大學物理學教授費倫茨·克勞斯 (Ferenc Krausz) 和瑞典隆德大學原子物理教授安妮·盧利爾 (Anne L'Huillier)，以表彰他們“為研究物質中的電子動力學而創造了阿秒激光脈沖的實驗方法”。

“可以形象地認為，這三位科學家聯合‘發明’了一個‘照相機’，用來幫助人們觀測微觀世界中粒子的超快運動。”上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室教授何峰在接受本報記者采訪、解讀今年的諾貝爾物理學獎時介紹，此次獲獎的三位科學家都是實驗物理學家，基于他們對超快激光科學和阿秒物理的開拓性貢獻，人們得以對微觀世界的原子、分子和固體中的電子運動開展觀測并成像。

值得一提的是，盧利爾也成為了第五位女性諾貝爾物理學獎得主。

又一座里程碑！脈沖激光從皮秒提升到了阿秒量級

自然界里的各種物理過程，其運動的時間尺度是不同的。比如，運動員劃水一般是每秒一次，用肉眼就可以清晰分辨劃水過程；子彈擊穿蘋果的過程用肉眼無法捕捉，但可借助高速攝像機拍攝后、以慢動作呈現。相比之下，自然界微觀世界的粒子運動更快，甚至無法用高速攝像機捕捉。以氫原子為例，電子繞原子核運動一周的時間就是150乘以10的負18次方秒，要能看清原子內電子的運動，需要曝光時間短至阿秒量級的超快照相機。而阿秒激光脈沖，就是這樣的照相機。

1阿秒為10的負18次方秒。那么，阿秒到底有多短？上海理工大學太赫茲技術創新研究院朱亦鳴教授打了一個比方：目前可以觀測到的最長時間尺度是宇宙的年齡，大約為140億年。1阿秒比1秒，就相當于1秒比整個宇宙年齡的長短。

他繼續解釋道，根據發光持續時間的長短，激光一般被分類為連續激光和脈沖激光。連續激光能夠在長時間內產生激光但輸出的功率較低。而脈沖激光的工作方式，則是在一個個間隔的小時間段內發射光脈沖，其峰值功率很高。從1960年激光誕生到其后的80年代，脈沖激光的單個脈沖時間可以達到皮秒量級。

而本次獲得諾獎的三位科學家，則是將脈沖激光從皮秒提升到了阿秒量級。

其中，盧利爾從事原子和短強激光脈沖的相互作用，從上世紀80年代初至今她一直在研究高次諧波——這是產生阿秒激光脈沖的必需物理過程。1987年，她參與了第一個產生高次諧波的實驗。

阿戈斯蒂尼在1979年第一次發現了激光與原子作用時的多光子電離效應，這與高次諧波的產生，是強激光與原子相互作用的兩種典型過程。此外，阿戈斯蒂尼還發明了測量阿秒脈沖鏈（由多個阿秒脈沖組成）的寬度的方法。

克勞斯上世紀90年代在維也納技術大學時，就對用激光產生超短光脈沖感興趣。克勞斯第一次在實驗中產生了孤立阿秒激光脈沖，這比產生阿秒脈沖鏈更難。并且，他利用孤立阿秒激光脈沖對原子尺度上的電子運動做了實時觀測。談到這一點時，何峰舉例道，“如果孤立阿秒脈沖是人類觀察微觀世界的‘眼鏡’的話，那么克勞斯是第一個讓這個‘眼鏡’誕生的人”。

阿秒級裝置日益普及，為改變物質世界帶來更多可能

可以說，今年被諾貝爾物理學獎垂青的阿秒激光脈沖技術，打開了一扇通往研究電子極端超快運動過程的大門。

“這一技術不僅對物理學的發展有著重要意義，對于我們認識乃至改變物質世界，包括對推動化學、醫學、生物學等領域的發展，都有不可忽視的重要意義。”中國科學院物理研究所研究員魏志義長期從事超強激光和阿秒激光脈沖研究。“眾所周知，上世紀，物理學的一個重大突破就是建立了原子核模型，而電子在其中起到很大的作用，正是阿秒激光脈沖使得我們可以觀測電子的運動。不僅如此，它也會讓我們對包括高溫超導等在內的作用機理帶來全新的認知。從應用層面看，它也將給信息、光伏產業、醫學成像、藥物合成等領域帶來很大改變。”魏志義說。

何峰舉了個例子，就以1991年獲得諾貝爾化學獎的飛秒化學為例，當時就是科學家觀察到在合成過程中，化學鍵是如何斷開的，這是飛秒級別的。而原子內電子運動的時間是阿秒級別的，尺度更小。但是通過激光脈沖觀察微觀的電子運動，可以幫助我們更好理解這個世界，未來人類也許可以控制化學、物理的變化。比如，化學制藥就可以按照人為地設定化學變化的方向來進行。

“這就好比，通過這個神奇的‘眼睛’，我們首先看到并認識微觀世界，然后理解世界，最終改變世界。”不過，何峰也坦言，從觀察到微觀世界的粒子運動，到理解這些粒子運動的規律，再到利用這些規律來改變微觀世界或者使得微觀世界能夠按照我們的想法運動，這還是一個漫長的過程，“但是不論怎么樣，至少現在已經邁出了重要一步”。

復旦大學物理系研究員陶鎮生教授也介紹，當前，在全世界的實驗室里，阿秒級設備和裝置越來越普及，正被科學家們作為一種全新的測量工具來觀察和理解電子、原子和分子的運動過程。

諾獎物理學獎迎來第五位女性得主

今年摘獲諾貝爾物理學獎的三位科學家，都與魏志義所在的中國科學院物理研究所有著長期聯系。尤其是克勞斯，他曾擔任該所榮譽教授，和魏志義團隊有著非常密切的合作。

在魏志義的心目中，克勞斯是一位精力非常充沛且充滿創新精神的科學家。他不僅在基礎研究及激光前沿技術領域取得了重要成就，且十分注重將研究成果投入應用、造福人類。正是他的創新實驗方案才使得人類第一次得到了阿秒激光脈沖。

魏志義還表示，克勞斯近年在中紅外飛秒激光器的研究上也有新的突破，并且通過與醫療領域的合作，希望能對癌癥進行早期診斷，“他在這個領域做了很多有價值的工作。”

現年64歲的盧利爾，成為第五位獲得諾貝爾物理學獎的女性。何峰告訴記者，盧利爾的研究非常扎實，她在高次諧波領域的研究已持續了幾十年，可以說是幾十年如一日，直至今天仍然在這一領域持續深耕，“這也是她在這一領域不斷有新的成果出現的重要原因之一”。

盧利爾出生于巴黎。她曾在接受采訪時談到，阿波羅11號1969年首次載人登月任務時，極大地激發了她對科學的興趣。而她的祖父是從事無線電通信的電氣工程教授，令她對科學技術產生了極大熱情，后來成為實驗阿秒物理學的領導者。

作者：姜澎 儲舒婷

編輯：姜澎