停止时间

时间变得更短了。当然，它已经很短了：四年前，物理学家成功地制造出仅持续五飞秒，即五千万亿分之一秒（5 x 10^-15）的激光脉冲。在日常摄影中，相机闪光灯可以在大约千分之一秒的时间里“定格时间”——这足以冻结棒球击球手的挥棒动作，但可能无法捕捉到高速飞行的快球。同样地，飞秒“闪光灯”使科学家能够以前所未有的定格画面观察到一些现象：振动的分子、化学反应中原子的结合，以及其他超微小、超短暂的事件。

但超快还不够好。在一千万亿分之一秒与下一个千万亿分之一秒之间，可能会发生各种重要的事情，如果你的闪光灯太慢，你就会错过。因此，科学家们一直在努力，争分夺秒，急于创造出更微小的时间窗口来研究物理世界。最近，一个国际物理学家团队终于成功突破了所谓的飞秒壁垒。他们利用一种复杂的高能激光器，产生了一个仅持续半个飞秒多一点的光脉冲——准确地说是650阿秒。阿秒（10^-18秒）长期以来一直作为一个理论实体存在，但这是第一次有人真正观测到它。这是一个新发现的时间片段——虽然微小，却具有巨大的潜力。

“这是物质的真实时间尺度，”该研究的主要研究员之一、渥太华斯蒂尔分子科学研究所的物理学家保罗·科克姆（Paul Corkum）说。“我们正在获得从原子和分子自身的角度来审视微观世界的能力。”

尽管这一事实很少被注意到，但人类同时在多个不同的时间尺度上运作并依赖于它们。普通人的心脏每秒跳动一次。闪电在百分之一秒内发生。家用电脑在纳秒，即十亿分之一秒内执行一条软件指令。电路的开关时间以皮秒，即万亿分之一秒为单位。时间越短，就越难跟上。

20世纪60年代激光的发明为努力跟上节奏的科学家们提供了助力。最常见的激光器通过激发像氖这样的惰性气体原子来工作。（其他激光器使用固体，如红宝石，甚至有机染料。）当原子“弛豫”并且它们的电子回到原位时，气体会发出特定波长的光——可见光、微波、红色或蓝色光；这一切都取决于所涉及的原子。激光迫使光波同步传播，并将光芒聚焦成一束强光。

创造激光脉冲则更为复杂。物理学家首先使用微小的镜子使一束光在激光器内部来回反射。在光波发生干涉的地方——即它们的波峰和波谷重合之处——会产生暗点和亮点。然后可以使用微小、超快的快门来剔除除单一波长外的所有光。瞧，一个光脉冲就这样产生了。

到了20世纪80年代末，激光脉冲的持续时间达到了六飞秒的创纪录短度。（为了粗略地感受一下这个尺度，一飞秒之于90秒，就如同90秒之于宇宙的年龄。）研究人员不再局限于观看化学反应前后的照片；现在他们可以观看中间状态的慢动作影片。自那时以来，一门新科学——飞秒化学——开始专注于光合作用和其他分子反应的机理。1999年，加州理工学院的艾哈迈德·泽维尔（Ahmed Zewail）因一系列优雅的实验而获得诺贝尔化学奖，这些实验揭示了化学键在100到200飞秒的时间尺度上如何断裂和重新形成。

飞秒脉冲不仅仅是一个相机快门或闪光灯；它已经演变成一个强大的工具。它非常适合钻取微小的孔洞：它的能量沉积得如此之快，以至于周围的材料没有时间升温，因此减少了混乱和低效。此外，飞秒脉冲的长度仅约为千分之一毫米。（相比之下，一秒钟的光脉冲可以从地球延伸到月球。）可以把它们想象成微型炸弹。它们可以被聚焦以在透明材料的表面下方进行打击，而不会实际穿透它。飞秒脉冲正被用于在玻璃板内部蚀刻光波导——这一发展可能彻底改变数据存储和电信技术。飞秒研究人员正在开发一种新的激光眼科手术方法，可以直接作用于角膜而不会损伤其上方的组织。

“这是一种能将你的手伸入生物材料内部，并且只用很少能量就能做到这一点的方法，”科克姆说。

简而言之，飞秒技术非常适合处理整个原子和分子。但对于那些对电子感兴趣的物理学家来说，电子比它们所环绕的原子核小得多、轻得多、快得多，这个时间尺度就太慢了。“我们有兴趣将此更进一步，”该研究的主要研究员、维也纳技术大学光子学研究所的物理学家费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）说。

阿秒登场了。理论家们早就怀疑，一个飞秒大小的可见光脉冲实际上是由多个阿秒长度的光脉冲组成的——并且可以被细分——就像一个音符包含许多谐波一样。问题在于如何测量它们。电磁谐波非常微弱，波长在紫外线和X射线范围内——太短而无法被探测到。

克劳斯和他的同事们使用一种改进的干涉仪——一种用于激光的特殊滤光器——开始寻找阿秒。他们将超短（七飞秒）的红色激光脉冲射入一股氖原子流中，从而将电子从它们的氖核中剥离出来。这些电子随后被激光脉冲携带，并几乎立即被撞回氖核上。这个效应有点像敲响一个钟。正如预测的那样，这次碰撞产生了X射线和极紫外线的高频谐波。然后，物理学家们过滤了谐波光，只允许特定的X射线脉冲通过——其中包括一个仅持续650阿秒的脉冲。

物理学家们刚捕捉到一个阿秒脉冲，就展示了它的用处。他们将一个阿秒脉冲和一个更长的红色光脉冲射入氪原子气体中。阿秒脉冲激发了氪原子，将电子踢出；然后红色光脉冲撞击电子并读取了它们的能量。通过调整两个脉冲之间的时间延迟，科学家们获得了非常精确的测量——在阿秒级别内——电子衰变所需的时间。在此之前，从未在如此短的时间尺度上研究过电子动力学。

这个实验让物理学界为之振奋。“阿秒将为我们提供一种思考电子的新方式，”布鲁克海文国家实验室的物理学家路易斯·迪毛罗（Louis Dimauro）说。“它们成为一种新的物质探测手段，并将被应用于各个科学领域。阿秒物理学的时代已经开始。”

最终，物理学家希望做的不仅仅是观察电子获得和失去能量。“我们可以考虑使用阿秒脉冲不仅来追踪这些过程，还要控制原子在被激发后的弛豫过程，”克劳斯说。“这非常令人兴奋。”例如，通过在阿秒时间尺度上控制原子释放X射线的方式，人们或许可以制造出高效的X射线激光器，这一直是物理学家们的梦想。渴望加速计算机芯片、晶体管和其他电子设备的半导体行业，同样也想尝尝阿秒的滋味。“我们知道，每一次导致脉冲变短的进步都带来了重大的发展，”科克姆说。“这是下一步。”

当然，总有一天，也许在不远的将来，即使是飞快的阿秒也无法满足需求。电子将看起来慢得要命。“当你进入更小的物质结构，进入原子核内部时，过程会变得更快，”克劳斯说。“在核物理学中，自然时间尺度要快好几个数量级——在仄秒（zeptosecond）的范围内，”即万亿亿分之一秒。

在此期间，物理学家们将不得不满足于他们已经获得的这点空闲时间。可以想象他们会有些得意忘形：用电子的家庭录像填满他们的硬盘，用似乎持续了数秒——基本上是永恒——的阿秒影片塞满电波。科克姆保证这不会发生：“在实践中，我们只关注一个合理的时间段。”他说，在微小的时间里，就像在宏大的时间里一样，观众的厌倦感仍然设定了极限。“我姐夫最近寄来一些他们宝宝的影片，”科克姆说。“一开始很有趣，但15分钟后——哇，那真是太长了。”

一秒有多远？

时间已被现代物理学家切割得如此精细，以至于其细分单位变得越来越难以理解。一种让它们保持在可感知范围内的方法是，想象一次从洛杉矶到纽约市——2787英里——的公路旅行，全程只需一纳秒。在一皮秒内，汽车将完成这次旅行的千分之一——大约2.8英里，一直开到东洛杉矶。在一飞秒内，它将走完百万分之一的路程，不到两辆车的长度。一阿秒——目前可测量的最短时间间隔——仅占旅行的十亿分之一：大约五分之一英寸。

如果这辆车继续行驶，在相对永恒的一整秒钟里，它可以往返纽约五亿次。以这个速度，它的行驶速度将是光速的1600万倍。当然，司机也可以完全不理会纽约，直接进入轨道。如果他花一整秒悠闲地绕地球飞行，他可以环绕地球约1.12亿次。如果他改为环绕太阳系，他可以在冥王星的轨道上绕太阳约120圈。

天空照片由 Bill Frymire/Masterfile 提供。