汪詰：阿秒激光有啥用？爲啥它值得一個諾貝爾獎？
2023 年的諾貝爾物理學獎頒給了 3 位研究阿秒激光的科學家，但周圍大多數人看到“阿秒激光”這幾個字就跟看到火星文一樣，不知道是啥。希望本文能幫助你增加飯後談資。
諾貝爾物理學獎對激光這個領域一直就很垂青，在今年之前，至少已經有 6 個諾獎都是跟激光的研究和應用有關了，今年又來一個。
如果我們回到 1960年之前，你去跟世界上任何一個人描述激光，差不多就像跟一個盲人描述顏色一樣，很難讓他理解激光是什麼。但是今天，5 塊錢就能買到一支激光筆，幼兒園的小朋友就知道什麼是激光。
不過，大多數普通人描述激光大概只能想到一個詞，就是“顏色”。在我們的印象中，激光是五顏六色的。激光顏色的本質就是激光的頻率，或者說波長。波長和頻率之間是一個簡單的換算關係，它們的乘積等於光速。
那你還能想到更多描述激光的形容詞嗎？
對，你可能想到了亮度。沒錯，激光筆的發射功率越大就越亮，也越熱，現在市面上能買到的有些激光筆甚至能點燃火柴。
還有嗎？估計想不出來了吧？
其實，在專業人士這裡，描述激光，還有一個非常重要的參數，它叫：脈衝寬度，簡稱爲“脈寬”。
要理解什麼是阿秒激光，關鍵就是要理解什麼是脈寬。
在激光剛被髮明出來的時候，激光是一種連續發出的光。什麼意思呢？我們不妨把激光筆想象成一把滋水槍，發出的激光想象成水流。一般的滋水槍，扣動扳機時，水流是連續不斷地從槍口噴出的，這就是連續激光。
但也有一種滋水槍，扣動扳機的時候，水流是以一個非常短的間隔，一小股一小股噴出的，就好像發射一顆顆水子彈一樣，這種滋水槍通常都比連續發射的水槍有更強的衝擊力，打得更遠。
其實，激光器也是這樣，有些激光器可以把激光分割成一小股一小股，以極短的間隔時間射出，這種激光就被稱爲“脈衝激光”。不過，我們人的眼睛有視覺殘留，當發射的頻率快到一定程度，肉眼就看不到一顆顆激光“子彈”了，我們看到的依然是一束連續的激光。脈衝激光相較於連續激光的優勢就是能獲得更高的功率，把激光脈衝分割的越小，發射的頻率越快，每一顆激光子彈的能量就能做得越大。
科學家們把每一個激光脈衝的間隔時間稱爲“脈衝寬度”（簡稱爲脈寬），所以，脈寬的單位就是時間單位。一束每隔 1 秒發出一顆“激光子彈”的激光，它的脈寬就是 1 秒，這種激光我們就可以把它叫做“秒光”。但是，對於脈衝激光來說，1 秒實在是太長太長了，我們需要更短的時間單位來描述它。
於是，就有了“納秒光”，它表示激光的脈寬等於 1 納秒，也就是 10億分之一秒，用科學計數法就是10-9秒
脈寬再小一級叫做“皮秒光”，1 皮秒等於 1 萬億分之一秒，10-12秒。
再小一級叫做“飛秒光”，1000萬億分之一秒，10秒。
再小一級就是這次諾貝爾物理學獎裡面的“阿秒光”了，1 阿秒等於 100億億分之一秒，10秒。這個數字實在太小了，普通人很難有概念。這麼說吧，假如我們把 1 阿秒想象成是 1 秒那麼長，那麼 1 秒就等於 317 億年這麼長，比宇宙年齡還要大 1 倍多。
所以，阿秒激光是迄今爲止，人類能夠製造出來的最短時間間隔的東西，製造阿秒激光的方法就是這次幾位諾獎得主發明的。簡單來說，就是用一束飛秒激光去轟擊某種惰性氣體，就能激發出脈寬更小的阿秒激光。轟擊不同的惰性氣體就能產生不同類型的阿秒光。
那麼，阿秒激光有啥用呢？爲啥它值得一個諾貝爾獎？
用處當然很大啊，總的說來，阿秒激光打開了一扇通往電子研究的極端超快運動過程的大門，爲人類進一步研究微觀世界創造了一把強有力的工具。
這種涉及量子物理學領域的知識，想直接解釋清楚，幾乎是不可能的，作爲科普來說，我還是隻能通過類比的方式讓普通人能大致理解個一二。但我想再三強調，類比永遠不是真正的物理學，你只能把這種理解方式當作一種社交貨幣，在飯桌上吹吹牛皮是可以的，千萬別在此基礎上胡思亂想，發明自己的理論哈。
玩過攝影的人應該都能理解什麼是快門速度吧？
我們要拍攝的對象運動的越快，就需要越高的快門速度，快門速度不夠的話，拍出來的照片或者視頻就會有拖影。
在視頻拍攝中有一個參數叫做“幀率（fps）”，也就是一秒鐘拍多少張照片的意思。我們用手機拍攝的視頻，一般是 30fps，一秒鐘拍攝 30張照片，用來記錄日常生活中的畫面基本夠了。
但是，如果你用手機拍一個水滴入水的畫面，基本上什麼也拍不到，因爲水滴入水的速度太快了。但是，如果我們用高速攝影機來拍攝水滴入水，就能清晰地看到水滴入水的全過程。
攝影機的幀率越高，就能記錄下越多高速運動對象的細節。
早期的高速攝影機爲了獲得更高的幀率，那真的就是玩命地提高快門的開合速度，相機中是真的有一個高速開合的“門”。但我們想想也知道，通過這種機械的方式來提高快門的速度，很快就會撞到天花板，不可能太高。
那怎麼辦呢？工程師們就想到了脈衝激光。你想想，脈衝激光的本質與快門其實很像，都是在一定間隔時間內完成一次動作。假如有一個對象在做高速運動，我們用一束脈衝激光照射它，理論上它是一亮一暗，就好像攝像機的感光器件被一次次曝光一樣。然後，我們再把被對象反射回來的激光收集起來，形成數據流，在計算機中利用算法來還原出被拍攝物體的樣子。
你腦子中可以想象有一把連續發射的機關槍，在槍口前面有一輛快速開過的汽車，假如子彈發射的頻率不夠快，那麼很可能打不到車子，或者只能打中很少的幾次。被反彈出來的子彈越少，我們得到的汽車信息就越少。
所以，脈寬越小的激光，相當於發射頻率越快的激光槍，就能拍攝到運動速度越快的對象。
用納秒光可以拍攝到各種化學反應，比如結晶的過程。
用皮秒光可以拍攝到分子尺度的運動。
用飛秒光可以拍攝到原子尺度的運動。
而用阿秒光可以拍攝到原子內部，也就是電子尺度的運動。打個比方來說，阿秒光就好像人類終於製造出了一支能刺入原子內部的探針，直接觸碰到電子。
這就是目前人類能直接探測到的微觀世界的極限。
但這夠不夠呢？還不夠。
未來我們還需要更短脈寬的激光。1 阿秒，也就是100億億分之一秒，聽上去已經是一個短到令人荒謬的時間。但是，人類已知的最短時間單位是普朗克時間，也就是10秒，假如把 1 普朗克時間想象成 1 秒，那麼，1 阿秒就相當於 3170 億億年，是宇宙年齡的 2300萬倍。
這麼想來，人類的壽命還是挺長的，不是嗎？
這就是今年的物理諾獎，你秒懂了嗎？