2023 年的诺贝尔物理学奖颁给了 3 位研究阿秒激光的科学家,但周围大多数人看到“阿秒激光”这几个字就跟看到火星文一样,不知道是啥。希望本文能帮助你增加饭后谈资。
诺贝尔物理学奖对激光这个领域一直就很垂青,在今年之前,至少已经有 6 个诺奖都是跟激光的研究和应用有关了,今年又来一个。
如果我们回到 1960 年之前,你去跟世界上任何一个人描述激光,差不多就像跟一个盲人描述颜色一样,很难让他理解激光是什么。但是今天,5 块钱就能买到一支激光笔,幼儿园的小朋友就知道什么是激光。
不过,大多数普通人描述激光大概只能想到一个词,就是“颜色”。在我们的印象中,激光是五颜六色的。激光颜色的本质就是激光的频率,或者说波长。波长和频率之间是一个简单的换算关系,它们的乘积等于光速。
那你还能想到更多描述激光的形容词吗?
对,你可能想到了亮度。没错,激光笔的发射功率越大就越亮,也越热,现在市面上能买到的有些激光笔甚至能点燃火柴。
还有吗?估计想不出来了吧?
其实,在专业人士这里,描述激光,还有一个非常重要的参数,它叫:脉冲宽度,简称为“脉宽”。
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要理解什么是阿秒激光,关键就是要理解什么是脉宽。
在激光刚被发明出来的时候,激光是一种连续发出的光。什么意思呢?我们不妨把激光笔想象成一把滋水枪,发出的激光想象成水流。一般的滋水枪,扣动扳机时,水流是连续不断地从枪口喷出的,这就是连续激光。
但也有一种滋水枪,扣动扳机的时候,水流是以一个非常短的间隔,一小股一小股喷出的,就好像发射一颗颗水子弹一样,这种滋水枪通常都比连续发射的水枪有更强的冲击力,打得更远。
其实,激光器也是这样,有些激光器可以把激光分割成一小股一小股,以极短的间隔时间射出,这种激光就被称为“脉冲激光”。不过,我们人的眼睛有视觉残留,当发射的频率快到一定程度,肉眼就看不到一颗颗激光“子弹”了,我们看到的依然是一束连续的激光。脉冲激光相较于连续激光的优势就是能获得更高的功率,把激光脉冲分割的越小,发射的频率越快,每一颗激光子弹的能量就能做得越大。
科学家们把每一个激光脉冲的间隔时间称为“脉冲宽度”(简称为脉宽),所以,脉宽的单位就是时间单位。一束每隔 1 秒发出一颗“激光子弹”的激光,它的脉宽就是 1 秒,这种激光我们就可以把它叫做“秒光”。但是,对于脉冲激光来说,1 秒实在是太长太长了,我们需要更短的时间单位来描述它。
于是,就有了“纳秒光”,它表示激光的脉宽等于 1 纳秒,也就是 10 亿分之一秒,用科学计数法就是 10-9 秒
脉宽再小一级叫做“皮秒光”,1 皮秒等于 1 万亿分之一秒,10-12 秒。
再小一级叫做“飞秒光”,1000 万亿分之一秒,10秒。
再小一级就是这次诺贝尔物理学奖里面的“阿秒光”了,1 阿秒等于 100 亿亿分之一秒,10秒。这个数字实在太小了,普通人很难有概念。这么说吧,假如我们把 1 阿秒想象成是 1 秒那么长,那么 1 秒就等于 317 亿年这么长,比宇宙年龄还要大 1 倍多。
所以,阿秒激光是迄今为止,人类能够制造出来的最短时间间隔的东西,制造阿秒激光的方法就是这次几位诺奖得主发明的。简单来说,就是用一束飞秒激光去轰击某种惰性气体,就能激发出脉宽更小的阿秒激光。轰击不同的惰性气体就能产生不同类型的阿秒光。
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那么,阿秒激光有啥用呢?为啥它值得一个诺贝尔奖?
用处当然很大啊,总的说来,阿秒激光打开了一扇通往电子研究的极端超快运动过程的大门,为人类进一步研究微观世界创造了一把强有力的工具。
这种涉及量子物理学领域的知识,想直接解释清楚,几乎是不可能的,作为科普来说,我还是只能通过类比的方式让普通人能大致理解个一二。但我想再三强调,类比永远不是真正的物理学,你只能把这种理解方式当作一种社交货币,在饭桌上吹吹牛皮是可以的,千万别在此基础上胡思乱想,发明自己的理论哈。
玩过摄影的人应该都能理解什么是快门速度吧?
我们要拍摄的对象运动的越快,就需要越高的快门速度,快门速度不够的话,拍出来的照片或者视频就会有拖影。
在视频拍摄中有一个参数叫做“帧率(fps)”,也就是一秒钟拍多少张照片的意思。我们用手机拍摄的视频,一般是 30fps,一秒钟拍摄 30 张照片,用来记录日常生活中的画面基本够了。
但是,如果你用手机拍一个水滴入水的画面,基本上什么也拍不到,因为水滴入水的速度太快了。但是,如果我们用高速摄影机来拍摄水滴入水,就能清晰地看到水滴入水的全过程。
摄影机的帧率越高,就能记录下越多高速运动对象的细节。
早期的高速摄影机为了获得更高的帧率,那真的就是玩命地提高快门的开合速度,相机中是真的有一个高速开合的“门”。但我们想想也知道,通过这种机械的方式来提高快门的速度,很快就会撞到天花板,不可能太高。
那怎么办呢?工程师们就想到了脉冲激光。你想想,脉冲激光的本质与快门其实很像,都是在一定间隔时间内完成一次动作。假如有一个对象在做高速运动,我们用一束脉冲激光照射它,理论上它是一亮一暗,就好像摄像机的感光器件被一次次曝光一样。然后,我们再把被对象反射回来的激光收集起来,形成数据流,在计算机中利用算法来还原出被拍摄物体的样子。
你脑子中可以想象有一把连续发射的机关枪,在枪口前面有一辆快速开过的汽车,假如子弹发射的频率不够快,那么很可能打不到车子,或者只能打中很少的几次。被反弹出来的子弹越少,我们得到的汽车信息就越少。
所以,脉宽越小的激光,相当于发射频率越快的激光枪,就能拍摄到运动速度越快的对象。
用纳秒光可以拍摄到各种化学反应,比如结晶的过程。
用皮秒光可以拍摄到分子尺度的运动。
用飞秒光可以拍摄到原子尺度的运动。
而用阿秒光可以拍摄到原子内部,也就是电子尺度的运动。打个比方来说,阿秒光就好像人类终于制造出了一支能刺入原子内部的探针,直接触碰到电子。
这就是目前人类能直接探测到的微观世界的极限。
但这够不够呢?还不够。
未来我们还需要更短脉宽的激光。1 阿秒,也就是100 亿亿分之一秒,听上去已经是一个短到令人荒谬的时间。但是,人类已知的最短时间单位是普朗克时间,也就是 10秒,假如把 1 普朗克时间想象成 1 秒,那么,1 阿秒就相当于 3170 亿亿年,是宇宙年龄的 2300 万倍。
这么想来,人类的寿命还是挺长的,不是吗?
这就是今年的物理诺奖,你阿秒懂了吗?