物理诺奖

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物理诺奖

2024-04-19 01:28| 来源: 网络整理| 查看: 265

2004年,科学家宣称已测量到最短的时间间隔——100阿秒。1阿秒等于10–18秒。1阿秒之于一秒,相当于一秒之于317.1亿年(公认宇宙年龄的2倍多),而100阿秒就相当于3亿年,是不是很难以置信?

日常生活中,我们不太可能会遇到阿秒,但毫秒、微秒和纳秒比较常见,并且在未来会越发重要。

2008年6月20日,德国马克斯·普朗克量子光学研究所一个研究小组,在《科学》杂志上发表研究成果称,他们近日利用汉堡的自由电子激光装置,研制成功世界最快的阿秒级激光脉冲,其闪光时间仅为80阿秒(1阿秒为10-18秒),可被用于捕捉激光脉冲的影像及观察较大原子周围的电子运动。

从理论上说,脉冲的超短持续时间允许在阿秒甚至仄秒(1仄秒为10-21秒)的时间内观察粒子的活动与反应。在此次成果之前,世界最快速的超短光脉冲持续时间为130阿秒。虽只是由130阿秒变为80阿秒,却能将一直无法捕获的影像成像,实验证明其可成像2.5飞秒(1飞秒为10-15秒)的光脉冲。

如要达到肉眼可见,抽样的时间必须快于激光样本。研究人员将相对较慢的激光脉冲射入氖气体团,激光促动氖原子,以及紫外光短脉冲的形式释放出能量。而这些穿透脉冲的电子能量,即可形成激光束的侧面图像。

实验过程中,研究人员利用了“啁啾介质反射镜”装置,该装置作为一种更有效的色散补偿元件,可直接从激光振荡器中获得短于10飞秒的光脉冲,或从脉冲和大压缩系统中获得短于5飞秒的光脉冲。正是这项技术将短脉冲推至极限。

这台“相机”可以捕捉较大原子周围的电子运动图像。研究人员表示下一步研制的目标是持续24阿秒的光脉冲,因为24阿秒正是氢原子的电子从一端到另一端的时间。而以此为基础,仄秒光脉冲也终将实现,届时,则可以捕捉到原子核内部粒子的运动影像,原子单位便将不再神秘!

阿秒光速

1s=10^3ms(毫秒)=10^6μs(微秒)=10^9ns(纳秒)=10^12ps(皮秒)=10^15fs(飞秒)=10^18as(阿秒)=10^21zs(仄秒)=10^24ys(幺秒)

阿秒是一个非常非常小的时间单位,当我们形容一段很短的时间时,会说这段时间是"一瞬间",而"瞬"这个字就是"眨眼"的意思。

我们眨一下眼,最快也需要大约0.1秒的时间。我们知道光在真空中传播的速度大约是每秒30万公里,而地球的周长大约是4万公里。也就是说,"一瞬间"的时间,光就可以绕地球一圈了。但是一"阿秒"的时间是10的﹣18次方秒。在一阿秒的时间里,光仅仅能走过大约一个原子的直径。

如果我们想在幽暗的环境中拍一张清晰的照片。一个好的办法是在拍摄照片的时候使用闪光灯。

如果我们想观察微观的原子分子,一个好的办法是用激光脉冲去照射这些微观的粒子,然后观察微观粒子的行为,原子中电子的运动速度实在太快了,绕原子核一圈通常只需要百阿秒量级的时间。这就要求科学家们在给原子"拍照"的时候需要使用"阿秒"量级的"闪光灯",这种"闪光灯"就是阿秒激光。

千万亿分之一秒能发生各种各样的重大情况,而如果你的“闪光灯”不够快,就会错失良机。因此,科学家一直在和时间赛跑,急于打开更小的时间窗口来窥探物理世界。

目前阿秒激光脉冲已被用来研究原子和分子物理学。

Ferenc Krausz 是德国马克斯·普朗克光学研究所的所长 2001年他和他的团队就首次成功地通过实验产生并测量了长度仅为阿秒(阿秒是国际单位制中的时间单位,等于1×10^(−18) 秒的 五分之一秒)的单个极紫外光闪光!这一成果标志着阿秒物理学的开端 并树立了科学界的一个里程碑!这个阿秒级闪光首次使电子的超快运动变得清晰可见(非常恐怖的力量)可以说是拍摄到了电子的超快运动!人类已经可以控制亚原子级的电子运动了!

科克姆说,“我们终于有能力以其本来的面目观察原子和分子了。”

物理学家发现阿秒脉冲后不久,就迅速挖掘其广泛用途。他们将阿秒脉冲和长脉冲红光射向氪气原子,阿秒脉冲激发氪原子,释放出电子;然后使用红光脉冲撞击电子,并读取能量值。通过调整两种脉冲间的延迟时长,科学家能够准确测量(以阿秒为单位)电子衰变所需时间——此前从未以如此短的时间尺度从事电子动力学的研究——这项实验让整个物理学界沸腾了。“阿秒为电子研究打开了新思路,”布鲁克海文国家实验室物理学家路易斯·迪莫罗(Louis DiMauro)告诉我,“这种新思路将广泛运用于各门科学,阿秒物理时代已经到来。”

当然,可能在不远的将来,阿秒也无法满足人类的需要。为探寻原子核的运动(正常时标快出几个量级),物理学家必须进入渺秒(或10-21秒)领域。与此同时,他们还需要懂得管理已经拥有的空闲时间。可以想象,大家会变得无法自拔,把硬盘塞满电子家庭录像,广播电视充斥着无数想要超过几秒(基本上算是永远)的阿秒视频。



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