科學家們正以越來越精細的時間尺度窺探物質的成分。圖源：KNOWABLE MAGAZINE
導讀：
一阿秒（attosecond）對於人類來說轉瞬即逝，但對電子、原子和分子來說，絕非如此。箇中奧秘，雷射科學家們正在揭示。
Ivan Amato | 撰文
瞿立建 | 翻譯
寂寞帥貓 | 校譯
幾乎所有小時候玩過捉迷藏的人都會記得，他們（假裝）蒙著眼睛以“一一千”（one-one-thousand）為單位數數：“一一千，二一千，三一千。”[1]這是培養對一秒時長感知的一種方式。如果你活到 80 歲，你將經歷 2,522,880,000 秒，但沒有任何一秒會讓人覺得時間很長。
當你思考時間時，通常以很多秒為單位，比如分鐘、天和年，不會覺得短於一秒的時間值得細想掂量，除非你是世界級運動員——十分之一秒、百分之一秒甚至千分之一秒的差距可能意味著贏得或失去奧運金牌。
請你展開想象，想象在越來越短的時間間隔裡，世界會發生什麼。如果你有一臺時間顯微鏡，可以像光學顯微鏡、電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡放大觀察的物體那樣去放大時間，觀察越來越精細的空間維度，甚至精確到原子尺度，那麼，你會看到什麼？
歡迎來到這樣一個科學家的世界。這些科學家研究的是當今科學發展最快的領域——阿秒科學（attoseconds），其中一些人甚至贏得了諾貝爾獎。
藉助雷射科學技術的進步，他們專注於研究分子、原子和電子在更精細的時間尺度上的行為——從百萬分之一秒（微秒）到十億分之一秒（納秒），從萬億分之一秒（皮秒）到千萬億分之一秒（飛秒），乃至百億億分之一秒（阿秒）。
正是在阿秒級的時間尺度上，許多物理學和化學的“幕後機制”得以發生並可以被探索。光和電子進行著大量極其迅速而複雜的相互作用，在這一過程中能量被不斷吸收與釋放，從而得以重新分配。這個時間尺度為許多化學怪象的上演搭好了舞臺：例如電子在高能激發態和低能態之間轉換，以及分子從反應物轉變為產物。在這些瞬間，一個化學環可能會開啟，一個電子可能會飛出並留下一個帶正電的離子，或者一個光子發射出去，所攜帶的光譜資訊能幫助科學家弄清楚剛剛發生了什麼。
這些隱藏在背後的微觀過程支撐著一切：從葉片中的光合作用、視覺的光物理機制，到化學鍵的形成與斷裂——正是這些成鍵與斷鍵的過程，構成了市場規模達數萬億美元的化學工業的基礎。
對於那些使用最先進的雷射系統和光探測器來捕捉微小環境中極快發生事件的人來說，即使是一微秒或一納秒也可能顯得非常漫長。當你能在阿秒的時間範圍內觀察分子和化學反應時，“會有一個廣闊的空間向你敞開”，加州大學伯克利分校的物理化學家斯蒂芬·萊昂（Stephen Leone）說，他最近在《物理化學年鑑》（Annual Review of Physical Chemistry）上的一篇自傳文章中記錄了自己作為“阿秒化學家”的研究歷程。他說，有了足夠短的脈衝，就可以開始觀察到化學鍵斷裂或形成過程中電子的運動。
1阿秒寫出來是這樣的：0.0000000000000000001秒（10⁻¹⁸ 秒）。這是十億分之一秒的十億分之一。阿秒迷們有時會丟擲一個令人驚歎的知識點：一秒鐘所包含的阿秒數量，與宇宙大爆炸以來滴答作響的秒數一樣多！也就是說，你廚房裡的掛鍾每滴答1秒，就過去了無盡的阿秒。關於阿秒，還有一個令人震驚的事實：光以不可思議的每秒18.6萬英里（約合30萬公里）的速度飛馳，但在1阿秒內只能穿過一個原子的寬度。
圖說：宇宙已經度過了一百億億個心跳的時間，而在每一次心跳中，又包含著百億億個阿秒。
美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家、前美國國家科學基金會原子、分子和光學實驗物理專案主任約翰·吉拉斯皮（John Gillaspy）表示，阿秒是原子及其電子的自然時間尺度。
“當你把電子繞核運動想象成小行星繞太陽執行時，”他說，“這個軌道運動的時間尺度大約就在 1 到 1000 阿秒之間。”（他承認，自己經常引用這個20世紀初的原子的隱喻。他有點無奈地說：“如果你試圖用量子力學的方式來想象電子和原子核，很可能會感到非常困惑，甚至不安。”）
要進行阿秒科學研究，先要有一臺頂級的飛秒雷射器，能夠產生千萬億分之一秒（10⁻¹⁵秒）的紅外脈衝。其次，可能需要一種稱為高次諧波產生（HHG）的脈衝縮短技術，以產生波長更短的阿秒雷射脈衝。HHG技術的部分開發者因此獲得了 2023 年諾貝爾物理學獎 。
萊昂將這些工具和技術應用於所謂的泵浦探測研究。這些研究主要分為兩個部分。首先，他和他的團隊將氪原子或甲烷分子等氣體引入到雷射脈衝路徑上。這些脈衝攜帶的光子將與氣體原子或分子中的電子相互作用。然後，科學家們在初始脈衝發出之後的不同延遲時間向樣品發射阿秒雷射脈衝，並仔細測量電磁訊號或電子呈現的狀態。對這些訊號的阿秒級精確監測，相當於製作電子、原子或分子的定格動畫。
萊昂用深奧的化學術語列舉了一些電子能態和行為的阿秒和飛秒級的快速變化，並透過這些技術得到前所未有的詳細觀察：不僅包括化學鍵的斷裂，也包括更微妙但同樣重要的能量事件，它們可以阻礙反應或推動分子改變形狀。
這些現象的理論研究遠遠領先於實驗研究。這些更微妙的行為包括“曲線交叉（curve crossings）”和“錐形交叉點（conical intersections）”，這些術語反映了電子在原子和分子中在能量約束下做出的行為“選擇”的數學和幾何描述。
比如：某個電子是否擁有足夠的能量來斷開一個化學鍵？或者，它是否會更溫和地在分子或材料內部釋放能量，從而引發成鍵原子之間的振動，或者將分子的形狀從一種異構體轉變為另一種異構體？
這些電子在瞬息之間做出的“秘密選擇”在生物體內處處留下了痕跡，並可能具有實際應用價值——例如修復斷裂的染色體、根據血液中的分子混合物中捕捉化學線索以檢測疾病，或設計雷射脈衝以合成前所未見的分子。
“我們以前對這些細節一無所知，而現在，我認為我們瞭解得比以前清晰多了，”萊昂說。他補充道，這為我們誘導電子進行特定的運動以斷開特定化學鍵或引發想要的反應提供了新的思路。
這些操控雷射的實驗者們常處於寂靜昏暗的實驗室裡，彷彿置身於另一個世界。實驗室的中心是一張標誌性的減震臺，其表面相對地面無任何運動。檯面上精心排列著微型巨石陣般的透鏡和晶體元件，它們可以移動、分割和重組雷射束，壓縮或擴充套件光脈衝，並讓脈衝以微小的延遲到達樣品和探測器。
沿著這些光學路徑傳入的是超短雷射脈衝，衝向原子和分子樣品（來自連線在氣罐上的噴嘴或加熱晶體）。為防止空氣分子吸收那些承載珍貴資料的光或電子訊號，這些裝置大多必須放置在蒸汽朋克風格的真空室內，以確保訊號在抵達探測器和光譜儀之前不被幹擾。
正如萊昂實驗室的照片所示，進行阿秒科學研究更適合那些技術愛好者。圖源Stephen Leone
“這個裝置本質上是一臺非常複雜的相機，同於拍攝人類目前所能產生的一些最短時間事件。”德國美因茨馬克斯·普朗克高分子研究所的理論化學家丹尼爾·基弗 (Daniel Keefer) 說道。基弗是 2023 年 《物理化學年鑑》上一篇關於超快 X 射線和 HHG 在分子探測中的應用的文章的共同作者之一。
基弗的主要工作包括為實驗人員計算最適合他們計劃進行的研究的雷射脈衝能量和其他條件，或者幫助他們推斷所收集的光譜資料中隱藏的分子的電子行為。儘管這些研究可能很基礎，但他研究的一些現象，如保持基因完整且正常運作，與每個人都息息相關。
想想看，超快雷射脈衝與光譜觀測的結合，使基弗和同事們能夠更好地理解一些生物學界的明星分子（如RNA 和 DNA）如何能夠快速耗散入射的紫外線光子的能量，從而避免其造成基因破壞和光化學損傷。這歸結於分子內的電子如何溫和地釋放紫外線能量，回到其最低能量軌道。
“這是防止生物體暴露在陽光下發生潛在光損傷的一種機制，”基弗說道。這些遺傳分子“一直在吸收紫外線，但我們不會因此遭受太多的光損傷，因為它們幾乎可以瞬間釋放能量，這大大降低了 DNA 斷裂的風險。”
要產生阿秒雷射脈衝，科學家首先需要用紅外雷射照射原子氣體。雷射束會對其經過的每一個原子產生衝擊，使電子與紅外光波同步來回振動。這迫使電子發射新的光波。但這些光波會以泛音（overtone）的形式發出，就像吉他弦不僅以基頻振動，還會以一系列更高頻率的諧波振動（或稱聲學泛音）振動一樣。對於紅外雷射，泛音的頻率更高，在阿秒範圍內，相當於紫外線甚至 X 射線的波長。
這對阿秒科學家來說是一個巨大的福音。當這些波長的光被壓縮成超短脈衝時，它們可以攜帶足夠的能量，使電子在分子框架內遷移，從而影響分子的反應方式。甚至，雷射脈衝可以迫使電子完全離開原位，這是電離原子和分子的方式之一。
當今最短的雷射脈衝可以觀察原子和分子內部的電子行為。三位科學家因發明了能夠產生阿秒光脈衝的技術而獲得了2023年諾貝爾物理學獎。
吉拉斯皮說，當他想到阿秒級的光脈衝，以及未來更短的脈衝時——如仄秒（zeptosecond，10⁻²¹秒），他的科學夢想不再侷限於窺探電子的私密生活，而是轉向將更多能量壓縮到更短的脈衝中。吉拉斯皮說，如果能做到這一點，脈衝中的能量在極端時間內被放大到天文數字。這就像放大鏡能將巴掌大小的一片暗淡陽光聚焦成足以點燃紙張的明亮光斑。
吉拉斯皮表示，只要將足夠的雷射能量集中到足夠短的脈衝中，就有可能直接研究所謂的“量子真空”（quantum vacuum），即空間所能達到的最低能量狀態。量子真空目前僅被間接測量過，而且它充滿了奇異之處。比如，據推測，這種真空的“虛無”實際上充滿了無數“虛”的物質-反物質粒子對，它們快速出現和消失，間隔時間極端極端小，遠遠小於阿秒。
“如果雷射能量足夠強，就能在量子真空中將虛粒子彼此分離，使它們成為真實粒子。”也就是說，它們可以被觀測到。換句話說，在這些瞬態虛粒子對相互湮滅並消失迴歸真空之前，分離、探測和測量它們成為可能。“這或許是我們獲得基礎性發現的時機，”吉拉斯皮說道——儘管他指出，目前產生滿足要求的雷射強度的能力仍然遙不可及。
科羅拉多大學和美國國家標準與技術研究所聯合研究中心（JILA）的物理學家葉軍正在利用阿秒物理學來實現另一個聽起來難以置信的目標：利用高次諧波產生（HHG）來探測神秘的宇宙物質——暗物質（dark matter）。
儘管科學家們從未在日常生活或實驗室中直接探測到暗物質，但他們推測這種物質是存在的，這樣才可以解釋星系尺度上物質的分佈和運動。如果沒有暗物質（其丰度遠超普通物質）及其宇宙尺度的引力影響，宇宙的結構和執行方式將會截然不同。
如果暗物質理論成立，那麼一個誘人的推論是，暗物質（無論它是什麼）應該在我們周圍也大量存在，因此原則上也可以在實驗室中探測到。
葉軍希望利用HHG物理學來開發一種名為核光譜（nuclear spectroscopy）的能量測量技術，這種技術特別適合於辨別原子核中細微的能量變化。在這一背景下，HHG自然產生的多種波長的光使得這種光譜技術的分析能力極為強大。葉軍表示，這可以使他監測普通物質原子的細微變化，這些變化可能是由此前未知的與暗物質的相互作用引起的。
葉軍的計劃的核心是一種新型的鐘——核鍾（nuclear clock）。他和 JILA 及其他單位的合作者一直在研發這種鍾。這種鐘的滴答聲基於核（釷-229 原子核中的一團中子和質子）振盪，而非慣常的原子鐘所基於的電子振盪。
“如果暗物質與普通物質相互作用，那麼暗物質與原子核中中子和質子的相互作用可能與電子的相互作用不同，”葉軍說。如果真是這樣，那麼比較兩種鐘的光譜資料就有可能最終揭示暗物質對普通物質一直以來的影響。
“很多重大發現都是這樣開始的，”吉拉斯皮說。“突破可能始於物理學家和化學家對一些新事物著迷，比如阿秒現象，然後……你永遠無法預料會發生什麼，你甚至無法想象。”
註釋：
[1] 英文中“one-one-thousand, two-one-thousand, three-one-thousand（一一千，二一千，三一千）”這種數數方式，是美國孩子在玩捉迷藏或鬼捉人遊戲時常用的一種口頭計時方法。它的目的是為了儘量準確地以“每秒一數”的速度進行倒計時。
作者簡介：
伊萬·阿馬託（Ivan Amato），資深科學撰稿人、圖書作者、播客主持人及科學咖啡館組織者，長期報道的主題涵蓋從有毒毛毛蟲到冷戰時期的機密技術。近期，他開始涉足科學與藝術融合的領域——晶體顯微攝影，用以揭示微觀世界中隱匿的美。
本文英文標題為“Watching the world, one quintillionth of a second at a time”，2025年6月24日首發於Knowable Magazine，《賽先生》獲授權翻譯併發布中文譯文。
原文連結：
https://knowablemagazine.org/content/article/physical-world/2025/studying-the-world-an-attosecond-at-a-time
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