獲得2023年諾貝爾物理學(xué)獎的阿秒激光，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)日報名鏈接，不要錯過呦~

01

世界是一個巨大的……彈簧？

Harmonic Oscillator

世界上最完美的物理模型是什么？這個問題或許有很多答案，但若是比起簡潔性與普適性，恐怕沒有人是一根“彈簧”的對手——這根“彈簧”就是物理學(xué)中最常見的簡諧振子模型。

物理學(xué)家竟是“彈簧”愛好者？

什么是簡諧振子？簡單來說，就是一根彈簧底下掛著一個小鐵球。當(dāng)你輕輕拉一下小鐵球然后松手，它就會圍繞著原來的位置上下彈跳。初中二年級學(xué)過（相信我，這次真的學(xué)過）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，都與一根彈簧無異！

遇事不決，簡諧振子

簡諧振子符合線性的胡克定律，運(yùn)動規(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，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！

02

洛倫茲：原子內(nèi)部也有彈簧？

Lorentz Model

光照在玻璃上會穿透，照在水面上會折射，照在金屬上會反射，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（沒錯，就是他搞出了相對論中著名的洛倫茲變換）又打起了彈簧的主意：萬一原子核和電子，是由“彈簧”連接起來的呢？

《洛倫茲模型》出場人物

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；而原子核對電子的電磁吸引力，就是那根無形的彈簧。光作為一種電磁波，照射到原子時，會像一陣風(fēng)吹動小球一樣，“吹”得電子左右搖擺（受迫振動）。

生活中常見的光（比如手電筒光、太陽光）強(qiáng)度比較弱，當(dāng)它們照射原子時，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什么樣？[參考資料2]

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

不同的物質(zhì)內(nèi)部，“彈簧”硬度不同，玻璃的“彈簧”很硬（對應(yīng)紫外波段），和可見光共振很弱，因此可見光能夠穿透玻璃，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，休斯實驗室一聲巨響，給人類送來了有史以來最亮的人造光源——激光。

受到的拉力過大，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，電子振動的力量狂增、暴增、猛增，終于來到了非線性光學(xué)的領(lǐng)域！

光強(qiáng)足夠大時，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，原子“彈簧”對光的響應(yīng)是非線性的——直觀地說，就是方程多了好多好多項！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——無中生有地產(chǎn)生了振動頻率翻倍的出射光。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，法國女物理學(xué)家安妮·呂利耶（2023年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一）在實驗室里用強(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，她還發(fā)現(xiàn)了一個詭異的現(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，看到紅色的平臺區(qū)了嗎？[參考資料3]

04

高次諧波：拉斷彈簧有獎勵！

HHG

1993年，物理學(xué)家保羅·科克姆給出了答案：那當(dāng)然是因為——彈簧都被你拉斷啦！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，就像十八級臺風(fēng)之于樹苗，狂暴的電磁場直接把束縛電子的“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)電場裹挾著，像坐過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）：激光的電場是周期性變化的。電場方向一換，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處安放，只能在撞擊的瞬間，以一個極高能量光子（高次諧波）的形式釋放出來。

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)然是為了請出今天的主角——阿秒脈沖！阿秒是一個時間單位，1阿秒等于10-18秒，也就是十億分之一秒的十億分之一。這是一個短到人類大腦無法直觀想象的時間，光在1秒內(nèi)可以繞地球跑七圈半，但在1阿秒內(nèi)，光連一個原子的直徑都跑不完！

測量這么短的時間，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，它們會在絕大部分時間里互相抵消，只在極其微小的一個瞬間互相增強(qiáng)，形成一個極短的閃光——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·克勞斯成功在實驗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。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎

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。

常拍照的人都知道，快門速度很重要：要拍清楚一個高速運(yùn)動的物體，快門速度必須比物體的運(yùn)動速度更快，否則拍出來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）；拍化學(xué)反應(yīng)中分子的運(yùn)動，需要千萬億分之一秒的快門（飛秒級）；而拍原子內(nèi)部電子的運(yùn)動，需要百億億分之一秒的快門（阿秒級）。

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。有了阿秒脈沖這個超級閃光燈，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力學(xué)過程了！

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)動的；可以親眼看著光電效應(yīng)發(fā)生時，電子到底花了多少阿秒才從材料里跑出來（100年來一直認(rèn)為光電效應(yīng)是瞬時發(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觀察電子在原子、分子、液體和固體中的運(yùn)動，從而把握物理、化學(xué)反應(yīng)的底層原理。近年來，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

對物理所來說，阿秒科學(xué)可謂是“專業(yè)對口”啦！2025年1月10日，國家重大科技基礎(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，項目已順利完成主體結(jié)構(gòu)封頂，預(yù)計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、亞洲首個先進(jìn)阿秒激光設(shè)施。

該項目計劃建設(shè)具有阿秒時間分辨能力和高度時空相干性特征的綜合性超快電子動力學(xué)研究設(shè)施，從而實現(xiàn)對電子運(yùn)動的跟蹤、測量與操控，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，自然離不開對阿秒激光如數(shù)家珍的研究員！

常國慶，中國科學(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，我們請來了常國慶研究員，帶大家走近阿秒激光這項諾獎技術(shù)，揭開物質(zhì)內(nèi)部最隱秘的量子面紗！還在等什么？趕快報名物理所公眾科學(xué)日吧！

報名通道

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活動名稱：中二所的奇“喵”冒險日期：2026年5月16日 (周六)

線下活動

主會場：中國科學(xué)院物理研究所北京中關(guān)村園區(qū)

時間：9:00-17:00

地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南三街8號

分會場1：北京懷柔園區(qū)

時間：9:00-12:00

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

分會場2：江蘇溧陽園區(qū)

時間：9:00-16:00

地址：江蘇省常州市溧陽市中關(guān)村大道1號

線下活動來不了？

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

時間：9:00-20:00（預(yù)計）

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

線上直播日程

時間

直播內(nèi)容

09:00-10:00

院士講座

《人工晶體和未來技術(shù)》

10:00-10:30

大型科學(xué)秀

《AI點(diǎn)亮未來實驗室》

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

《UP主帶你體驗中二所的奇“喵”冒險》

13:00-13:30

大型科學(xué)秀

《了不起的中國古代實用科技》

13:30-14:30

播客對談

《從“學(xué)會”到“會學(xué)”：AI驅(qū)動的學(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

實驗室探訪

《UP主走進(jìn)物理所實驗室》

17:00-17:30

懷柔分會場

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

云游天目湖

（物理所江蘇溧陽園區(qū)）

18:00-20:00

科學(xué)小劇場

《尋寶喵記：薛定諤的魚干》

注意事項

1.本次線下活動設(shè)置有名額上限。

2.支持以家庭為單位入場，憑一條報名成功的短信即可，最多4人哦。

3.本報名通道僅限中關(guān)村主會場活動，懷柔和溧陽分會場報名通道請關(guān)注其他推送。

4.本次為最后一輪報名，想?yún)⒓踊顒拥男』锇樽ゾo啦！

5.不能來線下參與的小伙伴也可通過觀看線上直播參與哦！

報名須知

1.報名分上午和下午兩個時段，并分別設(shè)置了名額上限，報名前請做好行程規(guī)劃。

2.報名成功后，后續(xù)會統(tǒng)一發(fā)送報名成功的短信作為入園憑證。

3.活動當(dāng)天園區(qū)不提供停車位，建議乘坐公共交通出行。

4.報名成功的觀眾在活動時間內(nèi)憑短信有序入園。活動簽到處設(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)隊參觀請郵件聯(lián)系kepu@iphy.ac.cn，標(biāo)題格式：學(xué)校+人數(shù)+帶隊老師姓名，內(nèi)容注明參觀時間、聯(lián)系方式、交通方式等具體信息，如有大巴車請在園區(qū)外合適位置落客。團(tuán)體報名結(jié)果以郵件回復(fù)為準(zhǔn)，名額有限，約滿即止。

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

7.本活動最終解釋權(quán)歸主辦方所有。

圖文：冰糕、物理所科學(xué)傳播協(xié)會

編輯：冰糕