2023諾貝爾物理獎(jiǎng)花落“阿秒光脈沖”

楊柳

（左起）安妮·呂利耶、費(fèi)倫茨·克勞斯、皮埃爾·阿戈斯蒂尼。圖/法新

10月3日，歐洲中部時(shí)間11點(diǎn)45分（北京時(shí)間下午5點(diǎn)45分），瑞典皇家科學(xué)院決定將2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位研究阿秒光脈沖的科學(xué)家，他們的實(shí)驗(yàn)工作被比喻為“用高速相機(jī)去捕捉微觀物質(zhì)世界的超快運(yùn)動(dòng)過程”。

來自美國(guó)俄亥俄州大學(xué)的名譽(yù)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國(guó)馬克斯普朗克研究所研究員費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne L'Huillier）三人分享2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們“為研究物質(zhì)中的電子動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法”（For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter）。

阿秒（Attosecond）是電子在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度。一阿秒之于一秒，如同一秒之于317.1億年，約為宇宙年齡的兩倍——據(jù)2021年最新估算，宇宙年齡為137.97億年。電子繞氫原子核一周大約是150阿秒，而阿秒物理學(xué)是研究這樣一個(gè)超短時(shí)間尺度內(nèi)所產(chǎn)生的一切現(xiàn)象，其中包括原子內(nèi)部電子、原子核的運(yùn)動(dòng)。

中國(guó)科學(xué)院物理所公眾號(hào)介紹，電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)周期已經(jīng)達(dá)到了阿秒量級(jí)，如果要觀察電子甚至原子核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，需要時(shí)間分辨率進(jìn)一步達(dá)到阿秒甚至仄秒（1仄秒=10-21秒），這同樣只能通過阿秒激光來實(shí)現(xiàn)。

“獲獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)產(chǎn)生了如此短的光脈沖，可以以阿秒為單位進(jìn)行測(cè)量，從而證明這些脈沖可用于提供原子和分子內(nèi)部過程的圖像?！敝Z貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹說。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席伊娃·歐爾森（Eva Olsson）則在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)表示，三位科學(xué)家數(shù)十年的研究“給予我們機(jī)會(huì)去理解被電子支配的世界”。

阿秒光脈沖應(yīng)用領(lǐng)域包括電子、疾病診斷、清潔能源的新材料開發(fā)等。安妮·呂利耶則在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充說，“阿秒光脈沖的一個(gè)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是將作為半導(dǎo)體行業(yè)的成像工具?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院院士方忠曾在中國(guó)阿秒科學(xué)中心揭牌儀式上表示，阿秒光脈沖可以觀測(cè)電子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)過程，也是目前唯一可直接測(cè)量電子瞬態(tài)行為的工具，阿秒的研究與獲得，“將打開一扇大門，把科學(xué)乃至世界推進(jìn)到一個(gè)全新的時(shí)代”。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要集中四個(gè)領(lǐng)域：粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子及光物理。光物理是今年外界預(yù)測(cè)的熱門獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域，其中，費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶二人因2022年同時(shí)獲得被譽(yù)為“諾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)”的沃爾夫獎(jiǎng)，隨后成為該領(lǐng)域的熱門人選。

第五位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性

值得一提的是，安妮·呂利耶也成為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)百年史上第五位獲此殊榮的女性。在10月3日的新聞發(fā)布會(huì)上，安妮·呂利耶在回答現(xiàn)場(chǎng)記者提問時(shí)也表示，自己獲獎(jiǎng)后深受觸動(dòng)，原因之一便是“很少有女性能獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)”。

早期，出生于波蘭的物理學(xué)家居里夫人（Marie Curie）曾兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1963年，德裔美國(guó)女物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特-梅耶因（Maria Goeppert Mayer）發(fā)展了解釋原子核結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。2018年，加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家。2020年，美國(guó)女科學(xué)家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）因“在銀河系的中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量致密天體”而獲獎(jiǎng)。

據(jù)沃爾夫基金會(huì)官網(wǎng)介紹，安妮·呂利耶致力于研究短而強(qiáng)的激光脈沖與原子之間的相互作用。其祖父是一名從事無線電通信的電氣工程教授，受其影響，呂利耶對(duì)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極大的熱情，這使她后來成為實(shí)驗(yàn)阿秒物理領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。

1987年，她參與了第一個(gè)產(chǎn)生高階諧波、形成阿秒脈沖的實(shí)驗(yàn)，成為最早通過實(shí)驗(yàn)證明高階諧波產(chǎn)生的人之一，并為該過程正確理論描述的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

表彰的是產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法

另一名來自歐洲的獲獎(jiǎng)?wù)呤堑聡?guó)馬克斯·普朗克研究所研究員費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）。他是一位匈牙利裔奧地利物理學(xué)家，其研究團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)產(chǎn)生和測(cè)量阿秒光脈沖并利用它們捕獲原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的團(tuán)隊(duì)。

克勞斯曾形容他們的工作就像開發(fā)一臺(tái)快門速度快得驚人的相機(jī)：“這個(gè)想法與捕捉一級(jí)方程式賽車或子彈的運(yùn)動(dòng)是一樣的。你拍了一系列快照，然后重建子彈實(shí)際上是如何擊中墻壁，進(jìn)而可以慢動(dòng)作再現(xiàn)這些快照，以觀察運(yùn)動(dòng)的所有細(xì)節(jié)”。

早在20世紀(jì)90年代初，克勞斯在維也納科技大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，便對(duì)使用當(dāng)時(shí)新型激光器來實(shí)現(xiàn)極短光脈沖這一想法印象深刻。2001年，克勞斯團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上成功地利用氣體高次諧波產(chǎn)生了脈寬為650阿秒的單個(gè)光脈沖，使光脈沖寬度達(dá)到阿秒量級(jí)。當(dāng)前，科學(xué)界正在使用此類脈沖來更好地了解涉及電子、原子和分子的微觀過程，并探究它們?nèi)绾斡绊懞暧^世界。

克勞斯還一直在探索阿秒脈沖在疾病檢測(cè)中的潛力。2022年克勞斯獲得西班牙BBVA基金會(huì)“知識(shí)前沿獎(jiǎng)”，他在BBVA基金會(huì)官網(wǎng)刊登的一篇報(bào)道中說，如果我們從血液樣本中去除所有細(xì)胞，剩下的液體就是血漿或血清。它所包含的分子為判斷捐贈(zèng)者的健康狀況提供了有價(jià)值的線索，而科學(xué)家正在研究使用阿秒脈沖來提取這些信息的方法。

“使用極其靈敏的測(cè)量，我們可以非常精確地分析這些分子?！彼赋?，在初步研究中，“我們已經(jīng)能夠檢測(cè)出八種不同類型的癌癥……我們還發(fā)現(xiàn)了一種非常嚴(yán)重的冠心病、糖尿病前期、糖尿病和中風(fēng)。”他相信，這些測(cè)量結(jié)果可能會(huì)在未來改變多種疾病的早期診斷。

作為多年臨床試驗(yàn)的一部分，克勞斯目前正在對(duì)1萬名測(cè)試者進(jìn)行測(cè)試，他希望該系統(tǒng)可以在未來十年內(nèi)投入使用。

來自美國(guó)的俄亥俄州大學(xué)名譽(yù)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼資料較少。他曾于2007年獲得荷蘭物質(zhì)基礎(chǔ)研究基金會(huì)頒發(fā)的Joop Los獎(jiǎng)，以及美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的William F. Meggers獎(jiǎng)。2008年，他因“為原子和分子在強(qiáng)紅外激光脈沖下的非線性響應(yīng)動(dòng)力學(xué)提供了重要見解”，入選為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)院士。

同樣是在本世紀(jì)初，皮埃爾·阿戈斯蒂尼2001年成功產(chǎn)生并研究了一系列連續(xù)的光脈沖，其中每個(gè)脈沖僅持續(xù)250阿秒。

2022年，與費(fèi)倫茨·克勞斯和安妮·呂利耶同時(shí)獲得沃爾夫獎(jiǎng)的是加拿大渥太華大學(xué)教授保羅·科克姆（Paul Corkum）。他是超快激光光譜領(lǐng)域的先驅(qū)人物，因提出有助于解釋與阿秒光譜相關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)象的“三步模型”（Three step model）而聞名。

但科克姆此次未能獲得諾貝爾物理學(xué)家，從事阿秒脈沖研究的吉林大學(xué)教授劉愛華對(duì)此表示惋惜。

劉愛華向《財(cái)經(jīng)》分析說，諾獎(jiǎng)此次表彰的是產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法，而科克姆是在理論上奠定了基礎(chǔ)，可能諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)機(jī)構(gòu)覺得相較于實(shí)驗(yàn)方法來說沒那么重要，“但在我們業(yè)界，大家都認(rèn)可他”。

劉愛華介紹，近幾年，包括中國(guó)科學(xué)院及一些地方都在積極發(fā)展阿秒光脈沖研究。據(jù)媒體報(bào)道，2023年4月25日，中國(guó)科學(xué)院物理所和東莞松山湖材料實(shí)驗(yàn)室共建阿秒科學(xué)中心，以推動(dòng)先進(jìn)阿秒激光設(shè)施的建設(shè)，聯(lián)合開展并強(qiáng)化阿秒科學(xué)研究。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也是華人科學(xué)家拿獎(jiǎng)最多的獎(jiǎng)項(xiàng)，包括李政道、楊振寧、丁肇中、朱棣文、崔琦和高琨六人。

今年每項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)的獎(jiǎng)金增加100萬瑞典克朗，達(dá)到1100萬瑞典克朗（約合100萬美元），成為諾貝爾獎(jiǎng)百年史上獎(jiǎng)金最多的一屆。

按評(píng)選規(guī)則，諾貝爾獎(jiǎng)不會(huì)公布當(dāng)年各獎(jiǎng)項(xiàng)候選人名單，只能等到50年后才能了解這份名單。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)率先公布。10月2日，2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予BioNTech的高級(jí)副總裁卡塔琳·考里科（Katalin Karikó）與美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院教授德魯·韋斯曼（Drew Weissman），表彰他們?cè)谛攀购颂呛怂幔╩RNA）研究上的突破性發(fā)現(xiàn)，為新冠疫情期間開發(fā)有效的mRNA疫苗鋪平道路。