阿秒是一个时间单位，等于10-18秒（小数点后17个零）。这个单位有多“小”？形象地说，1秒钟所包含的阿秒数，相当于宇宙年龄（约1018秒）中所包含的秒数。所谓阿秒激光，指的就是脉冲时间能达到阿秒级别的激光。那么，人们为什么要研究这种激光呢？

举个简单的例子：如果要研究运动员的跑步，我们只需要肉眼和秒表就可以；而如果我们要研究快速运动的物体，肉眼就看不清楚了，此时人们发明了“拍电影”，通过快速的快门开合来形成短时间的光脉冲，让画面在一个短时间内暂时“定格”，这样就方便我们观察了。

为了研究马奔跑时的运动姿态，人们发明了快速按快门产生脉冲光来连续拍照的方法，这也直接促进了电影的诞生

也就是说，如果采用更短时间的光脉冲，那么就可以研究更高速运动的物体；目前最快的相机快门产生的光脉冲时间大概在万分之一秒左右，也就是说每秒钟快门闪一万次，这么快的速度足够人们清晰地拍摄出昆虫振动翅膀的过程。

相对于宏观物体来说，微观世界的物质（原子、分子）运动的速度更快，为了研究这种运动，科学家们发明了飞秒激光，光脉冲的持续时间短至10-15秒，我们终于可以看清一个原子是怎么运动的了。

可是科学家仍然没有停止脚步：他们还想看看原子内部的电子是怎么运动的。

原子核内的电子运动速度更快，氢原子基态电子绕原子核旋转一周的时间是150阿秒(1阿秒 =10-18秒)，这就意味着飞秒激光已经看不清电子的运动了，人们需要时间宽度在阿秒量级的激光。如何制造脉冲时间在10-18秒量级的阿秒激光就成为了新挑战。

以彼之道，还施彼身！

1987年，安妮•吕利耶在实验中发现，在用飞秒激光照射稀有气体后，这些稀有气体会发出一系列的高次谐波光。经过仔细研究，人们确认了这些谐波光的来源：由于飞秒激光是很强的电磁波，因此激光经过原子内部时，会用自己的能量来“拨弄”其中的电子，当激光通过后，这些电子要落回到原来的状态，就要将刚才获得的能量以谐波光的形式释放出去。

而激光通过时对电子“拨弄”的程度不同，会使得这些谐波光的波长各有不同。这让科学家马上想到：根据波的叠加原理，波长不同的一组光之间相互叠加，可以产生变亮和变暗交替的叠加效果；如果合理选择初始条件，那么这些谐波光叠加之后形成的亮暗交替现象，就可以充当摄像机里的快门，从而实现超短时间的光脉冲。

也就是说，由于电子扰动产生的光波，经过人为调节后，可以重新成为观察电子运动的神奇工具。这启发了科学家们的灵感。

经过严格的计算和不断地调节初始条件，人们终于实现了这一设想：2001年，皮埃尔-阿戈斯蒂尼通过这种方法，产生了时长为250阿秒的脉冲光，这相当于每秒钟按快门四千万亿次！

几乎在同一时间，费伦茨·克劳斯采用了一种完全不同的实验策略，也成功实现了时长为650阿秒的光脉冲，与皮埃尔-阿戈斯蒂尼的实验不同的是，这一实验首次实现了单个阿秒光脉冲。

在这之后，新世界的大门打开了：来自全世界各地的科学家纷纷跟进，改进实验机制和实验条件，将脉冲光的长度进一步压缩，提升阿秒激光这一“高速摄像机”的性能。中国科学院物理研究所的魏志义课题组在2013年实现了160阿秒的单个光脉冲，标志着我国也在阿秒激光领域占据了一席之地。

直面自然的真相

正如前文所说，阿秒激光让我们获得了超快的“快门”，因此，快如电子在原子中的运动的过程也能被我们拍摄下来，仔细研究。这是一件听起来就很“酷”的成就，而且它在科学中的应用场景要比听起来还要高大上得多。

例如，利用阿秒脉冲光，人们首次观察到了半导体材料中电子从“价带”（绝缘状态）跳跃到“导带”（导电状态）的过程;又例如，在光电效应中，电子是遇到光子立即被激发，还是吸收完光子之后攒够了能量才激发呢？这一问题连因光电效应获得诺奖的爱因斯坦都回答不清。在阿秒脉冲光的帮助下，人们已经明确“看”到了原子中的不同电子被光激发所需要的时长是不同的，也就是说，光电效应并不是瞬发的。

仔细想一下的话，可以体会这类研究的重大意义：以往，人们是看不到这些现象的，因为它们发生得实在是太快了，只能通过一些理论和一些间接的实验现象，来推测这一过程的存在。而现在不一样了，我们是以见证者的视角切身地“看”到了这一过程的发生，有图有真相，与之前的种种推测相比，这就是阿秒激光带给我们的“实锤”。

总之，在阿秒光学的加持下，非常多的微观过程将不再需要“旁证”才能被证实，而是可以直接观测到。这也意味着微观世界的研究将迎来新的变革。

人们甚至构思并着手研究了一种新应用：用阿秒激光对人体的组织样本进行拍照，就可以找到这些样品中的分子具有的特征信号，而这些特殊信号用肉眼或者普通显微镜是完全无法发现的，却有可能是疾病的先兆。这样一来，体检中就能够在还未发病的阶段就筛查出癌症，从而真正做到“上医治未病”。

来源: 文章首发于科学大院