獲得2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的阿秒激光，究竟是何方神圣，它與“彈簧”之間，又有什么不為人知的故事？往下翻，讓我們從零開始，走進(jìn)阿秒激光！文末附物理所公眾科學(xué)日?qǐng)?bào)名鏈接，不要錯(cuò)過(guò)呦~

01

世界是一個(gè)巨大的……彈簧？

Harmonic Oscillator

世界上最完美的物理模型是什么？這個(gè)問(wèn)題或許有很多答案，但若是比起簡(jiǎn)潔性與普適性，恐怕沒(méi)有人是一根“彈簧”的對(duì)手——這根“彈簧”就是物理學(xué)中最常見(jiàn)的簡(jiǎn)諧振子模型。

物理學(xué)家竟是“彈簧”愛(ài)好者？

什么是簡(jiǎn)諧振子？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一根彈簧底下掛著一個(gè)小鐵球。當(dāng)你輕輕拉一下小鐵球然后松手，它就會(huì)圍繞著原來(lái)的位置上下彈跳。初中二年級(jí)學(xué)過(guò)（相信我，這次真的學(xué)過(guò)）的胡克定律告訴我們：

即彈簧的回復(fù)力大小與位移成正比。這個(gè)不起眼的性質(zhì)，卻藏著物理世界的底層代碼——任何穩(wěn)定平衡態(tài)附近的微擾（比如輕推谷底的小球），在最低階近似下，都與一根彈簧無(wú)異！

遇事不決，簡(jiǎn)諧振子

簡(jiǎn)諧振子符合線性的胡克定律，運(yùn)動(dòng)規(guī)律極其完美，能寫出極其漂亮的數(shù)學(xué)公式。于是，物理學(xué)家們開始“心里有彈簧，看什么都像彈簧”：看到鐘擺，近似成彈簧；看到聲帶振動(dòng)，近似成彈簧；看到原子……等等，原子也能當(dāng)彈簧玩嗎？

答案是：不僅能，而且還能玩出諾貝爾獎(jiǎng)！

02

洛倫茲：原子內(nèi)部也有彈簧？

Lorentz Model

光照在玻璃上會(huì)穿透，照在水面上會(huì)折射，照在金屬上會(huì)反射，光與物質(zhì)的相互作用究竟該如何解釋？19世紀(jì)末，物理學(xué)家洛倫茲（沒(méi)錯(cuò)，就是他搞出了相對(duì)論中著名的洛倫茲變換）又打起了彈簧的主意：萬(wàn)一原子核和電子，是由“彈簧”連接起來(lái)的呢？

《洛倫茲模型》出場(chǎng)人物

由此，他提出了把電偶極子處理為彈性振子的洛倫茲模型：原子核質(zhì)量很大，就像一堵堅(jiān)固的墻；電子質(zhì)量極小，就像彈簧末端掛著的小球；而原子核對(duì)電子的電磁吸引力，就是那根無(wú)形的彈簧。光作為一種電磁波，照射到原子時(shí)，會(huì)像一陣風(fēng)吹動(dòng)小球一樣，“吹”得電子左右搖擺（受迫振動(dòng)）。

生活中常見(jiàn)的光（比如手電筒光、太陽(yáng)光）強(qiáng)度比較弱，當(dāng)它們照射原子時(shí)，電子只是在平衡位置附近輕微振蕩，“彈簧”處于理想的線性狀態(tài)。

洛倫茲模型中的原子長(zhǎng)什么樣？[參考資料2]

電子一邊振蕩，一邊也會(huì)向外發(fā)射電磁波。進(jìn)來(lái)什么顏色的光，電子就以什么頻率振動(dòng)，然后發(fā)射出同樣顏色的光——這就是最簡(jiǎn)單的反射現(xiàn)象。

不同的物質(zhì)內(nèi)部，“彈簧”硬度不同，玻璃的“彈簧”很硬（對(duì)應(yīng)紫外波段），和可見(jiàn)光共振很弱，因此可見(jiàn)光能夠穿透玻璃，這解釋了透射現(xiàn)象。此外，洛倫茲模型還可以很好地解釋三棱鏡為什么可以把日光分成彩虹色（色散現(xiàn)象）……

反射、折射、透射，傳統(tǒng)光學(xué)（線性光學(xué)）的全部奧秘，竟都藏在這群“彈簧”的線性振動(dòng)之中！

03

激光：別把我彈簧玩壞了！

Laser & Nonlinear Optics

故事講到這里，一切歲月靜好，直到1960年，休斯實(shí)驗(yàn)室一聲巨響，給人類送來(lái)了有史以來(lái)最亮的人造光源——激光。

受到的拉力過(guò)大，彈簧就不再符合“拉力與位移成正比”的線性規(guī)律，原子“彈簧”也是如此。接受了激光的照射，電子振動(dòng)的力量狂增、暴增、猛增，終于來(lái)到了非線性光學(xué)的領(lǐng)域！

光強(qiáng)足夠大時(shí)，需要考慮二階、三階乃至高階非線性極化率的影響[參考資料2]

此時(shí)，原子“彈簧”對(duì)光的響應(yīng)是非線性的——直觀地說(shuō)，就是方程多了好多好多項(xiàng)！雖然方程變復(fù)雜了，但有趣的現(xiàn)象也多了不少：1961年，激光剛剛發(fā)明一年，F(xiàn)ranken等人就成功激發(fā)了二次諧波——無(wú)中生有地產(chǎn)生了振動(dòng)頻率翻倍的出射光。二次諧波還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是極限，理論上，用更強(qiáng)的激光，甚至可以打出頻率為入射光百倍以上的高次諧波！

到了1980年代末，法國(guó)女物理學(xué)家安妮·呂利耶（2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一）在實(shí)驗(yàn)室里用強(qiáng)激光轟擊惰性氣體，成功產(chǎn)生了頻率極高、能量極大的極紫外高次諧波。

但同時(shí)，她還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)詭異的現(xiàn)象： 根據(jù)非線性光學(xué)理論，諧波次數(shù)越高，強(qiáng)度應(yīng)該越弱，但為什么幾十次、上百次的高次諧波，亮度幾乎是一樣的？

高次諧波強(qiáng)度隨頻率（次數(shù)）的變化，看到紅色的平臺(tái)區(qū)了嗎？[參考資料3]

04

高次諧波：拉斷彈簧有獎(jiǎng)勵(lì)！

HHG

1993年，物理學(xué)家保羅·科克姆給出了答案：那當(dāng)然是因?yàn)椤獜椈啥急荒憷瓟嗬玻?/strong>為解釋高次諧波產(chǎn)生（HHG），他提出了半經(jīng)典的三步模型（Three-Step Model）：

高次諧波產(chǎn)生（HHG）的半經(jīng)典三步模型[參考資料3]

第一步是電離（Tunnel Ionization）：極高強(qiáng)度的激光之于電子，就像十八級(jí)臺(tái)風(fēng)之于樹苗，狂暴的電磁場(chǎng)直接把束縛電子的“彈簧”拉斷，讓電子掙脫原子核的束縛，重獲自由。

第二步是加速（Acceleration）：自由電子被激光的強(qiáng)電場(chǎng)裹挾著，像坐過(guò)山車一樣在真空中瘋狂加速，積累了巨大的能量。

第三步是復(fù)合（Recombination）：激光的電場(chǎng)是周期性變化的。電場(chǎng)方向一換，電子又被強(qiáng)行推回了原子核。能量巨大的電子狠狠砸向原子核，重新被束縛。而它在外面積累的巨大能量無(wú)處安放，只能在撞擊的瞬間，以一個(gè)極高能量光子（高次諧波）的形式釋放出來(lái)。

塞翁失馬焉知非福，彈簧徹底斷了，但我們卻意外獲得了一種制造極高頻光波的絕妙方法！

05

阿秒脈沖：人類最快的照相機(jī)

Attosecond Pulses

費(fèi)這么大勁搞出這些高次諧波，到底有什么用？當(dāng)然是為了請(qǐng)出今天的主角——阿秒脈沖！阿秒是一個(gè)時(shí)間單位，1阿秒等于10-18秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。這是一個(gè)短到人類大腦無(wú)法直觀想象的時(shí)間，光在1秒內(nèi)可以繞地球跑七圈半，但在1阿秒內(nèi)，光連一個(gè)原子的直徑都跑不完！

測(cè)量這么短的時(shí)間，普通的鐘表可不行，唯一的辦法是阿秒脈沖。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多個(gè)頻率不同但相位同步的光波（比如我們剛剛產(chǎn)生的高次諧波）疊加在一起時(shí)，它們會(huì)在絕大部分時(shí)間里互相抵消，只在極其微小的一個(gè)瞬間互相增強(qiáng)，形成一個(gè)極短的閃光——這道閃光，就是人類目前觸及阿秒領(lǐng)域的唯一途徑——阿秒脈沖。

2001年，皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費(fèi)倫茨·克勞斯成功在實(shí)驗(yàn)室里截獲了這道極短的閃光——阿秒脈沖誕生了！從此人類掌握了宇宙中最快的閃光燈，這兩位科學(xué)家也因此和前面的呂利耶一起分享了2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

大名鼎鼎的阿秒脈沖，有什么應(yīng)用呢？答案是拍照——但不拍人，也不拍景，只拍電子的運(yùn)動(dòng)。

常拍照的人都知道，快門速度很重要：要拍清楚一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，快門速度必須比物體的運(yùn)動(dòng)速度更快，否則拍出來(lái)就是一片模糊的殘影。拍奔跑的獵豹，需要千分之一秒的快門（微秒級(jí)）；拍化學(xué)反應(yīng)中分子的運(yùn)動(dòng)，需要千萬(wàn)億分之一秒的快門（飛秒級(jí)）；而拍原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)，需要百億億分之一秒的快門（阿秒級(jí)）。

在阿秒脈沖誕生之前，物理學(xué)家看電子，就像用慢速快門拍高速飛行的子彈，滿眼都是模糊的概率云。有了阿秒脈沖這個(gè)超級(jí)閃光燈，物理學(xué)家就仿佛練就了火眼金睛，總算可以看到朝思暮想的電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程了！

利用阿秒脈沖，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)液態(tài)水發(fā)射光電子的速度比氣態(tài)水慢了50-70阿秒[參考資料4]

有了阿秒脈沖，物理學(xué)家可以清晰地抓拍到電子在原子內(nèi)部是如何運(yùn)動(dòng)的；可以親眼看著光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電子到底花了多少阿秒才從材料里跑出來(lái)（100年來(lái)一直認(rèn)為光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的?。?；可以觀察藥物分子在吸收光子后，內(nèi)部電荷是如何在阿秒尺度轉(zhuǎn)移的……

參考資料：

[1] Herbert Goldstein. (2001). Classical Mechanics (3th Edition). Pearson.

[2] Hecht, E. (2016). Optics (5th Edition). Pearson.

[3] Nobel Prize Outreach AB. (2023). Scientific Background: For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter.

[4] I. Jordan, M. Huppert, D. Rattenbacher, M. Peper, D. Jelovina, C. Perry, A. von

Conta, A. Schild and H.J. W?rner, Science 369, 974 (2020).

06

來(lái)物理所，看更多阿秒趣聞！

Welcome to IOP

阿秒脈沖讓人類首次能夠?qū)崟r(shí)觀察電子在原子、分子、液體和固體中的運(yùn)動(dòng)，從而把握物理、化學(xué)反應(yīng)的底層原理。近年來(lái)，阿秒科學(xué)在分子物理、化學(xué)、凝聚態(tài)物理、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域大放異彩，而我們中國(guó)科學(xué)院物理研究所，恰恰就是走在阿秒科學(xué)最前沿的科研機(jī)構(gòu)之一！

先進(jìn)阿秒激光設(shè)施效果圖

對(duì)物理所來(lái)說(shuō)，阿秒科學(xué)可謂是“專業(yè)對(duì)口”啦！2025年1月10日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“先進(jìn)阿秒激光設(shè)施”在廣東東莞正式開工建設(shè)！截至目前，項(xiàng)目已順利完成主體結(jié)構(gòu)封頂，預(yù)計(jì)2026年9月完成全部土建工作，2027年開始設(shè)備安裝調(diào)試。本次開工建設(shè)的6條束線由物理所負(fù)責(zé)，建成后，它將成為世界第二個(gè)、亞洲首個(gè)先進(jìn)阿秒激光設(shè)施。

該項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)具有阿秒時(shí)間分辨能力和高度時(shí)空相干性特征的綜合性超快電子動(dòng)力學(xué)研究設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的跟蹤、測(cè)量與操控，深入探索物質(zhì)狀態(tài)的演化規(guī)律，有望為我國(guó)在物質(zhì)科學(xué)前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破提供關(guān)鍵技術(shù)保障。設(shè)施建成后，將為物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供有力支撐。而先進(jìn)阿秒激光設(shè)施，自然離不開對(duì)阿秒激光如數(shù)家珍的研究員！

常國(guó)慶，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師

就在今年的物理所公眾科學(xué)日，我們請(qǐng)來(lái)了常國(guó)慶研究員，帶大家走近阿秒激光這項(xiàng)諾獎(jiǎng)技術(shù)，揭開物質(zhì)內(nèi)部最隱秘的量子面紗！還在等什么？趕快報(bào)名物理所公眾科學(xué)日吧！

報(bào)名通道

點(diǎn)擊圖片即刻報(bào)名！

活動(dòng)名稱：中二所的奇“喵”冒險(xiǎn)日期：2026年5月16日 (周六)

線下活動(dòng)

主會(huì)場(chǎng)：中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京中關(guān)村園區(qū)

時(shí)間：9:00-17:00

地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南三街8號(hào)

分會(huì)場(chǎng)1：北京懷柔園區(qū)

時(shí)間：9:00-12:00

地址：北京市懷柔區(qū)雁棲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)永樂(lè)北二街

分會(huì)場(chǎng)2：江蘇溧陽(yáng)園區(qū)

時(shí)間：9:00-16:00

地址：江蘇省常州市溧陽(yáng)市中關(guān)村大道1號(hào)

線下活動(dòng)來(lái)不了？

我們還準(zhǔn)備了線上直播，

小伙伴們可以在直播間一覽精彩瞬間！

線上活動(dòng)

時(shí)間：9:00-20:00（預(yù)計(jì)）

B站直播間：B站@二次元的中科院物理所、微信視頻號(hào)@中科院物理所等平臺(tái)同步開播！噓，小編來(lái)劇透一下直播日程：

線上直播日程

時(shí)間

直播內(nèi)容

09:00-10:00

院士講座

《人工晶體和未來(lái)技術(shù)》

10:00-10:30

大型科學(xué)秀

《AI點(diǎn)亮未來(lái)實(shí)驗(yàn)室》

10:30-11:45

趣味科普分享

《科學(xué)妙極了》

11:45-13:00

園區(qū)參觀互動(dòng)

《UP主帶你體驗(yàn)中二所的奇“喵”冒險(xiǎn)》

13:00-13:30

大型科學(xué)秀

《了不起的中國(guó)古代實(shí)用科技》

13:30-14:30

播客對(duì)談

《從“學(xué)會(huì)”到“會(huì)學(xué)”：AI驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)范式轉(zhuǎn)型》

14:30-15:30

大型科學(xué)秀

《物理所的魔法課》

15:30-17:00

實(shí)驗(yàn)室探訪

《UP主走進(jìn)物理所實(shí)驗(yàn)室》

17:00-17:30

懷柔分會(huì)場(chǎng)

云游雁棲湖

（物理所北京懷柔園區(qū)）

17:30-18:00

園區(qū)參觀互動(dòng)

云游天目湖

（物理所江蘇溧陽(yáng)園區(qū)）

18:00-20:00

科學(xué)小劇場(chǎng)

《尋寶喵記：薛定諤的魚干》

注意事項(xiàng)

1.本次線下活動(dòng)設(shè)置有名額上限。

2.支持以家庭為單位入場(chǎng)，憑一條報(bào)名成功的短信即可，最多4人哦。

3.本報(bào)名通道僅限中關(guān)村主會(huì)場(chǎng)活動(dòng)，懷柔和溧陽(yáng)分會(huì)場(chǎng)報(bào)名通道請(qǐng)關(guān)注其他推送。

4.本次為最后一輪報(bào)名，想?yún)⒓踊顒?dòng)的小伙伴抓緊啦！

5.不能來(lái)線下參與的小伙伴也可通過(guò)觀看線上直播參與哦！

報(bào)名須知

1.報(bào)名分上午和下午兩個(gè)時(shí)段，并分別設(shè)置了名額上限，報(bào)名前請(qǐng)做好行程規(guī)劃。

2.報(bào)名成功后，后續(xù)會(huì)統(tǒng)一發(fā)送報(bào)名成功的短信作為入園憑證。

3.活動(dòng)當(dāng)天園區(qū)不提供停車位，建議乘坐公共交通出行。

4.報(bào)名成功的觀眾在活動(dòng)時(shí)間內(nèi)憑短信有序入園?；顒?dòng)簽到處設(shè)置在物理所M樓，臨近園區(qū)南門，建議從園區(qū)南門入園。

地圖參考 ↓

5.中小學(xué)校30人及以上的團(tuán)隊(duì)參觀請(qǐng)郵件聯(lián)系[email protected]，標(biāo)題格式：學(xué)校+人數(shù)+帶隊(duì)老師姓名，內(nèi)容注明參觀時(shí)間、聯(lián)系方式、交通方式等具體信息，如有大巴車請(qǐng)?jiān)趫@區(qū)外合適位置落客。團(tuán)體報(bào)名結(jié)果以郵件回復(fù)為準(zhǔn)，名額有限，約滿即止。

6.本活動(dòng)為公益科普活動(dòng)，不收取任何費(fèi)用?；顒?dòng)名額僅限本人使用，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)賣。

7.本活動(dòng)最終解釋權(quán)歸主辦方所有。

圖文：冰糕、物理所科學(xué)傳播協(xié)會(huì)

編輯：冰糕