图片来源：瑞典皇家科学院

周二，三位科学家获得了诺贝尔物理学奖，他们让我们第一次在一瞬间瞥见了旋转电子的超快世界，这个领域有朝一日可能会导致更好的电子或疾病诊断。

该奖项授予了法国瑞典物理学家Anne L'Huillier，法国科学家Pierre Agostini和匈牙利出生的Ferenc Krausz，因为他们对围绕中心比赛的每个原子的微小部分所做的工作，这几乎是一切的基础：化学，物理学，我们的身体和我们的小工具。

专家说，电子移动得如此之快，以至于人类无法隔离它们，但通过观察最微小的一秒，科学家们现在可以“模糊”地瞥见它们，这开辟了全新的科学。

“电子非常快，电子真的是无处不在的劳动力，”诺贝尔委员会成员马茨拉尔森说。“一旦你能控制和理解电子，你就向前迈出了一大步。

瑞典隆德大学的L'Huillier是第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。

“对于所有女性，我说如果你有兴趣，如果你对这种类型的挑战有一点热情，那就去做吧，”L'Huillier告诉美联社。

诺贝尔奖获得者安妮·卢利耶（Anne L'Huillier）是今年的诺贝尔物理学奖获得者之一，她于2023年10月3日星期二在瑞典隆德的隆德大学与记者交谈。诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L'Huillier，因为他们在最微小的瞬间观察原子中的电子。图片来源：Ola Torkelsson/TT News Agency通过美联社

什么发现获得了诺贝尔物理学奖？

这些科学家分别工作，使用更快的激光脉冲来捕捉以如此令人眼花缭乱的速度发生的原子作用 - 五分之一秒，称为阿秒 - 就像摄影师使用快速快门捕捉蜂鸟喂食的方式一样。

那有多小？

“让我们花一秒钟，这是心跳的时间，”诺贝尔委员会主席伊娃奥尔森说。要得到阿秒的境界，必须除以 1,000 六次。

诺贝尔委员会成员、物理学家马克·皮尔斯（Mark Pearce）说：“自138亿年前大爆炸以来，一秒钟的阿秒数与秒数一样多。

但即使科学家“看到”电子，他们能看到的也只有这么多。

“你可以看到它是在分子的一侧还是另一侧，”65岁的L'Huillier说。“还是很模糊的。”

“电子更像波浪，像水波，而不是粒子，我们试图用我们的技术测量的是波峰的位置，”她补充道。

物理学家Anne L'Huillier在这张2014年10月8日的照片中发言。诺贝尔物理学奖已于 2023 年 10 月 3 日星期二颁发给皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·劳利耶，以表彰他们在最微小的瞬间观察原子中的电子。资料来源：Bertil Ericson/TT通讯社通过美联社，文件

为什么电子很重要？

电子是关键，因为这是“原子如何结合在一起，”L'Huillier说。这是发生化学反应的地方。

“即使我们看不到电子，电子也无所不在地存在于我们的生活中 - 我们的生物生活以及我们的技术生活，在我们的日常生活中，”克劳斯在新闻发布会上说。“在我们的生物生命中，电子在原子之间形成粘合剂，它们与原子形成分子，这些分子是每个生物体中最小的功能性建筑石。

如果你想了解它们是如何工作的，你需要知道它们是如何移动的，Krausz说。

目前，这门科学是关于理解我们的宇宙，但希望它最终将在电子学、诊断疾病和基础化学方面有许多实际应用。

但L'Huillier说，她的工作表明，无论未来的应用如何，研究基础科学是多么重要，因为在现实世界的可能用途变得更加明显之前，她花了30年的时间。

2023年10月3日星期二，皇家科学院常务秘书汉斯·埃莱格伦（中）与成员伊娃·奥尔森（右）和马茨·拉尔森在斯德哥尔摩皇家科学院宣布2023年诺贝尔物理学奖得主。诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L'Huillier，因为他们在最微小的瞬间观察原子中的电子。资料来源：Anders Wiklund/TT通讯社通过美联社

ANNE L'HUILLIER、FERENC KRAUSZ和PIERRE AGOSTINI是如何反应的？

L'Huillier正在隆德为大约100名本科生教授基础工程物理，当她接到她赢了的电话时，但她的手机是静音的，她没有接听。她在休息时检查了一下，并打电话给诺贝尔委员会。

然后她又回到了教学岗位。

“我非常专注，忘记了诺贝尔奖，并试图完成我的演讲，”L'Huillier告诉美联社。她提前完成了课程，这样她就可以在斯德哥尔摩瑞典皇家科学院宣布该奖项的新闻发布会上发言。

“这是最负盛名的，我很高兴能获得这个奖项。这太不可思议了，“她在新闻发布会上说。“如你所知，获得这个奖项的女性并不多，所以它非常特别。

诺贝尔组织在社交媒体上发布了一张L'Huillier的照片，将手机放在耳边。

科学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）于2023年10月3日星期二在德国慕尼黑马克斯-普朗克量子光学研究所获得诺贝尔物理学奖后发表讲话。诺贝尔物理学奖授予了Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L'Huillier，因为他们在最微小的瞬间观察原子中的电子。资料来源：美联社照片/马蒂亚斯施拉德

“专门的教师警报！”X上的帖子，以前是Twitter，说。“即使是2023年的物理学 #NobelPrize 也无法将Anne L'Huillier从她的学生身上撕下来。

L'Huillier说，因为奖品在当时是一个秘密，她不被允许告诉学生发生了什么，但她说他们猜到了。

阿戈斯蒂尼是俄亥俄州立大学的名誉教授，当时在巴黎，诺贝尔委员会在向世界宣布他的胜利之前无法联系到他。

“我没有接到委员会的电话。也许这不是真的。我不知道，“他笑着告诉美联社。“我认为委员会正在哥伦布寻找我。

“肯定有年轻人会比我更欣赏它，”这位82岁的老人开玩笑说。“很好，但对我来说有点晚了。”

但是，他补充说，“我认为我不应该更早地得到它！

2015年10月22日，匈牙利物理学家费伦茨·克劳什在德国慕尼黑合影留念。诺贝尔物理学奖已于 2023 年 10 月 3 日星期二颁发给皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·劳利耶，以表彰他们在最微小的瞬间观察原子中的电子。资料来源：塔马斯·科瓦奇/MTI 通过美联社，文件

马克斯普朗克量子光学研究所和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的克劳斯告诉记者，他感到困惑。

“我从上午11点开始就一直在努力弄清楚......无论我在现实中还是只是一个漫长的梦想，“这位61岁的老人说。

诺贝尔委员会的电话说“没有来电显示”，克劳斯通常不接这些电话，但这一次，他说，“我想我会尝试一下，然后很明显，这次我不能这么快挂断电话。

去年，Krausz和L'Huillier凭借他们的工作获得了着名的沃尔夫物理学奖，并与渥太华大学的科学家Paul Corkum分享了这一工作。诺贝尔奖仅限于三位获奖者，克劳斯说，不能包括科库姆是一种耻辱。

Corkum是如何测量瞬间激光闪光的关键，这是至关重要的，Krausz说。

诺贝尔奖的现金奖励为1100万瑞典克朗（100万美元），来自该奖项的创造者，瑞典发明家阿尔弗雷德诺贝尔留下的遗赠。

物理学奖是在两位科学家因能够制造针对 COVID-19 的 mRNA 疫苗的发现而获得诺贝尔医学奖的第二天颁发的。

诺贝尔委员会宣布：

瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔物理学奖授予

皮埃尔·阿戈斯蒂尼

俄亥俄州立大学，美国哥伦布

费伦茨·克劳斯

马克斯·普朗克量子光学研究所，加兴和路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学，德国

安妮·卢利耶

瑞典隆德大学

“用于产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”

光实验捕捉最短的瞬间

三位 2023 年诺贝尔物理学奖获得者因其实验而受到认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L'Huillier已经展示了一种创建极短光脉冲的方法，可用于测量电子移动或改变能量的快速过程。

当人类感知到快速移动的事件时，它们会相互流动，就像由静止图像组成的电影被视为连续运动一样。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子世界中，变化发生在零点几阿秒内——一阿秒是如此之短，以至于一秒钟内的变化与宇宙诞生以来的几秒钟一样多。

获奖者的实验产生了如此短的光脉冲，以至于它们以阿秒为单位进行测量，从而证明这些脉冲可用于提供原子和分子内部过程的图像。

1987年，Anne L'Huillier发现，当她通过惰性气体传输红外激光时，会产生许多不同的光泛音。每个泛音都是一个光波，激光中的每个周期都有给定的周期数。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的;它给一些电子额外的能量，然后作为光发射。Anne L'Huillier继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。

2001年，皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲仅持续250阿秒。与此同时，Ferenc Krausz正在研究另一种类型的实验，该实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。

获奖者的贡献使得能够对以前无法遵循的快速过程进行调查。

“我们现在可以打开通往电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会理解由电子控制的机制。下一步将是利用它们，“诺贝尔物理学委员会主席Eva Olsson说。

在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，了解和控制电子在材料中的行为非常重要。阿秒脉冲也可用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。

光脉冲中的电子

通过他们的实验，今年的获奖者创造了足够短的光束，可以拍摄电子极快运动的快照。Anne L'Huillier从激光与气体中原子的相互作用中发现了一种新的效应。Pierre Agostini和Ferenc Krausz证明，这种效应可以用来产生比以前更短的光脉冲。

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次。我们只能将其视为嗡嗡声和模糊的运动。对于人类的感官来说，快速的运动模糊在一起，极短的事件是不可能观察到的。我们需要使用技术技巧来捕捉或描绘这些非常短暂的瞬间。

高速摄影和频闪照明可以捕捉到脚步现象的详细图像。一张高度聚焦的蜂鸟在战斗中的照片需要比单次翅膀拍打短得多的曝光时间。

事件越快，如果要捕捉瞬间，需要拍摄的照片就越快。

同样的原则适用于所有用于测量或描述快速过程的方法;任何测量都必须比被研究的系统发生明显变化所需的时间更快，否则结果是模糊的。今年的获奖者进行了实验，展示了一种产生光脉冲的方法，这些脉冲足够短，可以捕获原子和分子内部过程的图像。

原子的自然时间尺度非常短。在一个分子中，原子可以在十亿分之一秒的百万分之一秒内移动和转动，飞秒。这些运动可以用激光产生的最短脉冲来研究，但是当整个原子移动时，时间尺度是由它们的大而重的原子核决定的，与轻而灵活的电子相比，原子核非常慢。

当电子在原子或分子内部移动时，它们的速度如此之快，以至于变化在飞秒内变得模糊不清。在电子世界中，位置和能量以一到几百阿秒的速度变化，其中阿秒是十亿分之一秒。

一阿秒是如此之短，以至于一秒钟内它们的数量与自 138 亿年前宇宙出现以来经过的秒数相同。在更相关的尺度上，我们可以想象一束光从房间的一端发送到对面的墙上——这需要一百亿阿秒。

长期以来，飞秒一直被认为是可能产生的光的极限。

改进现有技术不足以看到在电子的惊人短暂时间尺度上发生的过程;需要一些全新的东西。今年的获奖者进行的实验开辟了阿秒物理学的新研究领域。

借助高泛音实现更短的脉冲

光由波组成 - 电和磁长中的振动 - 在真空中比其他任何东西都快。它们具有不同的波长，相当于不同的颜色。例如，红光的波长约为700纳米，是头发宽度的百分之一，它以每秒约四十三万亿次的速度循环。我们可以将最短的光脉冲视为光波中单个周期的长度，即光波向上摆动到峰值，下降到低谷，然后回到起点的周期。在这种情况下，普通激光系统中使用的波长永远无法低于飞秒，因此在 1980 年代，这被认为是尽可能短的光爆发的硬性限制。

描述波的数学表明，如果使用足够大小、波长和振幅（波峰和波谷之间的距离）的波，就可以构建任何波形。阿秒脉冲的诀窍在于，可以通过组合更多和更短的波长来产生更短的脉冲。

在原子尺度上观察电子的运动需要足够短的光脉冲，这意味着结合许多不同波长的短波。

要为光添加新波长，需要的不仅仅是激光;访问有史以来研究过的最简短瞬间的关键是激光穿过气体时出现的现象。光与其原子相互作用并产生泛音 - 原始波中每个周期完成许多完整周期的波。我们可以将其与赋予声音特殊特征的泛音进行比较，使我们能够听到在吉他和钢琴上演奏的相同音符之间的差异。

1987年，法国实验室的Anne L'Huillier和她的同事能够使用通过惰性气体传输的红外激光束产生和演示泛音。红外光

与以前实验中使用的波长较短的激光相比，产生了更多更强的泛音。在这个实验中，观察到许多大约相同光强度的泛音。

在一系列文章中，L'Huillier在1990年代继续探索这种影响，包括在她的新基地隆德大学。她的研究结果有助于对这一现象的理论理解，为下一个实验突破奠定了基础。

逃逸的电子产生泛音

当激光进入气体并影响其原子时，它会引起电磁振动，使保持原子核周围的电子的电长节扭曲。然后电子可以从原子中逃逸。然而，光的电长不断振动，当它改变方向时，松散的电子可能会冲回其原子核。在电子的偏移过程中，它从激光的电长节中收集了大量额外的能量，为了重新附着在原子核上，它必须将其多余的能量释放为光脉冲。这些来自电子的光脉冲是产生实验中出现的泛音的原因。

光的能量与其波长有关。发射泛音中的能量相当于紫外线，其波长比人眼可见的光短。由于能量来自激光的振动，因此泛音的振动将与原始激光脉冲的波长成优雅的比例。光与许多不同原子相互作用的结果是具有一组特定波长的不同光波。

一旦这些泛音存在，它们就会相互作用。当光波的峰值重合时，光会变得更强烈，但当一个周期中的峰值与另一个周期的波谷重合时，光会变得不那么强烈。在适当的情况下，泛音重合，因此会出现一系列紫外线脉冲，其中每个脉冲长达几百阿秒。物理学家在1990年代就明白了这背后的理论，但实际识别和测试脉冲的突破发生在2001年。

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法国的研究小组成功地产生和研究了一系列连续的光脉冲，就像一列带车厢的火车。他们使用了一种特殊的技巧，将“脉冲序列”与原始激光脉冲的延迟部分放在一起，以查看泛音如何彼此同相。这个过程还让他们测量了火车中脉冲的持续时间，他们可以看到每个脉冲只持续了250阿秒。

与此同时，Ferenc Krausz和他在奥地利的研究小组正在研究一种可以选择单个脉冲的技术，就像车厢与火车分离并切换到另一条轨道一样。他们成功隔离的脉冲持续了650阿秒，该小组用它来跟踪和研究电子从原子中拉开的过程。

这些实验表明，可以观察和测量阿秒脉冲，并且它们也可以用于新的实验。

现在阿秒世界已经变得可访问，这些短暂的光爆发可以用来研究电子的运动。现在可以产生低至几十阿秒的脉冲，而且这项技术一直在发展。

电子的运动变得容易获得

阿秒脉冲可以测量电子从原子上拉开所需的时间，并检查这需要多长时间取决于电子与原子核结合的紧密程度。可以重建电子的分布如何在分子和材料中左右振荡或从一个位置振荡到另一个位置;以前，他们的位置只能作为平均值来衡量。

阿秒脉冲可用于测试物质的内部过程，并识别不同的事件。这些脉冲已被用于探索原子和分子的详细物理学，它们在从电子到医学等领域具有潜在的应用。

例如，阿秒脉冲可用于推动分子，分子发出可测量的信号。来自分子的信号具有特殊的结构，一种揭示它是什么分子的fngerprint，其可能的应用包括医学诊断。