“诺贝尔”2023年诺贝尔物理学奖揭晓：阿秒光脉冲技术研究者获奖，可用于研究物质中的电子动力学

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来源：DeepTech深科技

北京时间10月3日17点45分，2023年诺贝尔物理学奖评选结果揭晓，今年的诺贝尔物理学奖授予皮埃尔・阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨・克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮・卢利尔 (Anne L'Huillier)，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

三位诺贝尔物理学奖获得者因其实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新工具。此前他们已经发明了一种创造超短光脉冲的方法，并将其用于测量电子移动或能量变化的快速过程。当人类感知到快速移动的事件时，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想观测真正短暂的事件，就需要特殊的技术。

1999年，诺贝尔化学奖曾颁给艾哈迈德·泽维尔（Ahmed H.Zewail），以表彰他应用飞秒激光闪光成相技术，观测到分子中的原子在化学反应中如何运动，从而有助于人们理解和预期重要的化学反应，并为整个化学及其相关科学带来了一场革命。

科学家们曾经以为，飞秒就是人类“拍照”技术所能达到的极限了。而今年的诺贝尔物理学家将这一尺度再次推进了1000倍，达到了原秒（或阿秒）的级别，让人类甚至观测到了电子的运动。这个尺度有多小呢？墙壁上的灯光从一间屋子的这头照到另一头是时间，是几百亿原秒。与飞秒技术带来的革命一样，我们可以期待原秒技术同样将改变世界。

在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒内，一阿秒如此之短，以至于一秒钟内的阿秒的数量与宇宙诞生以来的总秒数一样多。获奖者的实验产生了短到以阿秒为单位测量的光脉冲，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。2001年，皮埃尔・阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。

与此同时，费伦茨・克劳斯（Ferenc Krausz）正在进行另一种类型的实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的光单脉冲。获奖者的贡献使人们能对以前无法实现的速度进行物理过程的观测。

诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森表示：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制，以便下一步将利用它们。”该技术在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为很重要。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子从而用于医学诊断。

皮埃尔・阿戈斯蒂尼：曾分离出持续 650 阿秒的单个光脉冲

皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）是美国俄亥俄州立大学名誉教授，专注于激光与原子分子相互作用的研究。他于1968年获得法国艾克斯-马赛大学博士学位。完成学业后，他成为法国原子能委员会萨克雷分会的研究员，在那里担任过各种职务，一直工作到 2002年。

在此期间，他曾在美国南加州大学、荷兰阿姆斯特丹FOM和BNL担任访问学者。在担任了一系列其他访问学者职位后，他于2005年来到俄亥俄州立大学，担任物理学教授。他曾获得荷兰FOM颁发的Joop Los奖，2007年获得美国光学学会的威廉·梅杰斯奖，此外他还是洪堡研究员。

2008年，他“因其在创新实验开发方面的领导地位，为原子和分子在强红外激光脉冲下的非线性响应动力学提供了重要见解”，而被选为美国光学学会的院士。他的研究领域是高次谐波的产生、飞秒和亚次谐波的产生，激光与物质相互作用、多光子过程、电子协同。

超强激光脉冲在短短几分之一秒内的威力相当于一个国家的发电站，在与单个原子相互作用时揭示了大量意想不到的物理现象，比如可以作为突破性的新辐射源。皮埃尔·阿戈斯蒂尼是这项研究的领先专家，他也是第一批产生短于十亿分之一秒（飞秒）的光脉冲的人之一，他利用这种光来探索原子中的电子-电子关联性。

此前阿戈斯蒂尼成功产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲仅持续 250 阿秒。与此同时，费伦茨·克劳斯 （Ferenc Krausz）正在进行另一种类型的实验，该实验可以分离出持续 650 阿秒的单个光脉冲。

费伦茨・克劳斯:首次创造并测量持续时间小于1飞秒的光脉冲

费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）是一名来自欧洲的物理学家。2003年，他被任命为德国马克斯·普朗克量子光学研究所所长，2004年成为德国慕尼黑大学的实验物理学主席。2006年，他与同事共同创建了慕尼黑先进光子学中心，并成为该中心主任之一。

克劳斯和团队曾首次创造并测量了持续时间小于1飞秒的光脉冲。利用这些阿秒级的光脉冲，可以实时观测电子的内部原子运动，这一成果标志着阿秒物理学的开始。20世纪90年代，克劳斯课题组完成了另一个里程碑工作，通过大量创新将飞秒激光技术进一步发展到极限，即在一个电磁场振荡中携带主要能量的光脉冲。

此外，他还和罗伯特·尼普尔（Robert Szipöcs）联合研发了啁啾反射镜，并成为当今飞秒激光系统中不可或缺的一部分。2001年，克劳斯团队通过一到两个波周期的强激光脉冲，实现了如下成果：不仅能产生阿秒光脉冲（极紫外光），而且还能对其进行测量。通过这种方法，他和团队很快就能在亚原子尺度上实时追踪电子的运动。

多年来，克劳斯用一系列实验实现了飞秒脉冲的波形控制，以及由此产生的可重复性阿秒脉冲，使阿秒测量技术成为今天阿秒物理实验的技术基础。在过去几年里，克劳斯和同事利用这些工具成功控制了分子中的电子，并首次实时观测了大量的基本电子过程，比如隧穿、电荷输运、相干EUV发射、延迟光电效应、价电子移动以及介质的光学和电学特性的控制。

目前，他和团队正在使用飞秒激光技术来作为阿秒测量技术的基础，从而进一步开发用于生物医学的红外光谱。生物样品受到超短红外激光脉冲激发后，会发射出红外波。通过扫描这些波的电场，可通过测量所谓的“电场分子指纹”，从而检测样品的分子组成的微小变化。

安妮・卢利尔：曾安装欧洲第一个用于飞秒脉冲的钛-蓝宝石固态激光系统

安妮·卢利尔（Anne L'Huillier）是法国物理学家，目前在瑞典隆德大学担任原子物理学教授。她是最早通过实验证明高次谐波产生的人之一，这是阿秒脉冲形成的过程，其成果为该过程的理论描述发展做出了重大贡献。她还进行了许多开创性实验，以提高对基本过程的理解。她也是新阿秒科学研究领域形成的关键参与者。

1992年，她安装了欧洲第一个用于飞秒脉冲的钛-蓝宝石固态激光系统。自1995年任职隆德大学之后，拉维利耶带领了一个阿秒物理课题组，她和团队研究电子的实时运动，以用于理解原子水平上的化学反应。2003年，该团队以170阿秒的最小激光脉冲打破了世界纪录。整体来看，她的研究既有实验性又有理论性，主要围绕气体中的高次谐波产生及其应用。

在时域中，这些谐波对应于一系列极短的光脉冲，在极紫外光谱范围内持续时间为几十或几百阿秒。她的研究涉及阿秒源的开发和优化，以及使用这种辐射来研究超快（电子）动力学。

据介绍，阿秒光源可以针对各种目标进行设计，例如针对非线性泵浦/探针实验的高强度、或针对凝聚态物理应用的高重复率进行设计。2007年至2015年期间，拉维利耶成为诺贝尔物理学委员会的成员。

2021年，卢利尔因“在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性工作，实现和理解高次谐波产生，并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像而获得美国光学学会波恩（Max Born）奖。2022年，她因“对超快激光科学和阿秒物理的开创性贡献”，获得了沃尔夫物理学奖。2023年，获得诺贝尔物理学奖，至此人生圆满。

安妮·卢利尔（Anne L'Huillier）在与诺奖委员会连了线，她非常感谢诺奖委员会，说自己非常激动。她当时正在上课，而诺奖委员会不停打电话让她很难继续她的下半节课，并表示教学是非常重要的。她的技术已经投入实用。在基础研究层面，可以探究电子和原子层面的基础物理原理。在工程领域，可以在半导体领域用于成像。她表示，诺奖对她来说非常重要，并没有太多女性科学家获奖，所以非常特殊。她是历史上第五位获得诺奖的女性。她表示，终极的梦想是可以实现和电子的对话。化学反应是由电子转移进行，如果可以在反应进行从初期控制反应中的电子移动，将是这个领域的圣杯。

关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”

1895 年 11 月 27 日，诺贝尔（Nobel）在其遗嘱中写道，诺贝尔物理学奖应颁发给“在物理学界做出了最杰出发明或发现的人”。

因此，在诺贝尔奖体系中，会有一部分颁布给那些在物理学领域具有杰出贡献的科研工作者，这就是诺贝尔物理学奖。

历届获奖人中不乏改变物理界的牛人，例如从理论上解释光电效应的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、在原子理论中发现新数学表述的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），还有共同提出宇称不守恒理论的李政道和杨振宁以及发展用激光冷却和捕获原子方法的朱棣文等。

第一届诺贝尔物理学奖的颁布是在 1901 年。接下来，就让我们了解一下从 1901 年到 2022 年关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”。

◆ 1901 年-2022 年最受欢迎的诺贝尔物理奖得主

图丨阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

生于：1879 年 3 月 14 日，德国乌尔姆

卒于：1955 年 4 月 18 日，美国新泽西州普林斯顿

获奖时的工作地：凯撒-威尔海姆研究所物理研究院（现马克斯·普朗克研究所），德国柏林

获奖评语：表彰他“对理论物理学做出的贡献，尤其是光电效应定律的发现”

研究领域：理论物理

获奖情况：1921年 单独获奖

作为一名传奇科学家，阿尔伯特∙爱因斯坦只获得了 1921 年诺贝尔物理学奖，获奖原因或许也是他众多理论成果中相对“最小”的一个。而他在时空、引力理论等方面的诸多成就，在当时甚至如今都显得“过于超前”，这可能也是诺贝尔奖只就“解释光电效应”给他颁奖的原因。

爱因斯坦在慕尼黑长大，在那里，他的父亲成立了一家电机工程公司。从苏黎世联邦理工学院毕业后，爱因斯坦进入了瑞士伯尔尼专利局工作。在此期间，他发表了一系列在物理学领域具有前瞻性的文章。

科学成就：当时科学家发现，将金属电极暴露于光线下时，有助于电极间产生电火花。要产生这种“光电效应”，光必须高于某特定频率。然而，根据当时的物理理论，光的强度才是重要因素。1905 年，爱因斯坦发表了几篇划时代的论文，在其中的一篇中，爱因斯坦提出光是由光量子组成的，光量子的能量与其频率有关。只有当光量子的频率达到一定阈值时，才能从金属中激发出电子。

图丨尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔（Niels Henrik David Bohr） 

生于：1885 年 10 月 7 日，丹麦哥本哈根

卒于：1962 年 11 月 18 日，丹麦哥本哈根

获奖时的工作地：哥本哈根大学，丹麦

获奖评语：表彰他“对原子结构及原子辐射的研究”

研究领域：理论核物理

获奖情况：1922 年单独获奖 

科学成就：19 世纪末，出现了关于电子和原子辐射的一系列研究，科学家们建立了不同的原子结构模型。1913 年，玻尔根据量子理论提出了氢原子的结构模型。他认为，原子能量如果要发生改变，只能在不同定态间以跃迁的方式进行，电子会按照特定轨道围绕原子核运动。当电子跃迁到低能级轨道时，就会辐射出光子。玻尔的理论解释了为什么原子只有在特定波长照射下才能发射光子。

生于：1867 年 11 月 7 日，俄罗斯帝国（现波兰）华沙

卒于：1934 年 7 月 4 日，法国萨朗什

获奖评语：表彰他们“研究贝克勒尔发现的电离辐射现象时的卓越成就”

研究领域：核物理

获奖情况：1903 年与其他二人共同获奖

玛丽·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska-Curie）出生于波兰华沙一个非常注重教育的教师之家。为了继续她的学业，她移居法国并在那里遇到了皮埃尔·居里（Pierre Curie）。后来，他成为了她的丈夫，也成为了她在放射领域中的研究伙伴。居里夫妇于 1903 年共同获得了诺贝尔物理学奖。不幸的是，1906 年，居里夫人的丈夫去世，但她没有停下他们的研究工作，并再次于 1911 年获得诺贝尔物理奖。 

科学成就：受 1896 年贝克勒尔发现的电离辐射现象的激励，玛丽和皮埃尔决定进一步研究这一现象。他们为了获得放射信号，对很多物质和元素进行了实验。他们发现沥青铀矿比纯铀的放射性更强，因此，其中应该含有其他放射性物质。从沥青铀矿中他们提取出了两种以前未知的元素：钋和镭，它们的放射性都强于铀。在首次发现放射性元素钋和镭以后，居里夫人对这两种元素的性质做了更深入的研究。1910 年她成功地分离出镭，从而证明了镭的存在，从此业界再无质疑之声。她还对镭及其化合物的性质做了报道。放射性物质作为放射源，在科学实验领域和癌症治疗中变得越来越重要。 

生于：1891 年 10 月 20 日，英国曼彻斯特

卒于：1974 年 7 月 24 日，英国剑桥

获奖时的工作地：利物浦大学，英国

获奖评语：表彰他“发现了中子”

研究领域：核物理

获奖情况：1935 年单独获奖 

科学成就：1930 年当海波特·贝克和瓦尔特·博特用阿尔法粒子（氦原子核）轰击铍核时，观察到了高能的穿透性的辐射现象。当时一个假说认为，这是一个具有高能量的电磁辐射。然而 1932 年，詹姆斯·查德威克证明阿尔法粒子中含有一个和质子质量相当的中性粒子。更早时期，欧内斯特·卢瑟福也提出了这种粒子的存在，而该粒子就是现在已经被证实的中子。

生于：1856 年 12 月 18 日，英国曼彻斯特附近的奇塔姆山

卒于：1940 年 8 月 30 日，英国剑桥

获奖时的工作地：剑桥大学，英国

获奖评语：表彰他“在气体导电方面的理论和实验研究”

研究领域：原子物理

获奖情况：1906 年单独获奖

科学成就：1830 年首次出现一种观点，认为电是通过原子中存在的微粒进行传导。1890 年，约瑟夫·汤姆逊爵士利用气体环境下带电粒子，成功测定了电子质量。1897 年，他证明了阴极射线（将两片金属电极置于低压气体环境的玻璃管中，并在其上加载电压，阴极释放出的电子就会像射线一样飞往阳极）含有电子，从而带有电荷。他同时指出，电子是原子的一部分。

生于：1887 年 8 月 12 日，奥地利维也纳

卒于：1961 年 1 月 4 日，奥地利维也纳

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖评语：表彰他“发现了卓有成效的原子理论新形式”

研究领域：量子力学

获奖情况：1933 年与另一人共同获奖 

科学成就：在玻尔的原子理论中，当电子从一个原子轨道跃迁到另一轨道时，就会吸收或发射特定波长的光。这一理论能够很好地描述氢原子的光谱特征。但是，要想描述更复杂的原子和分子，则需要进行修正。以物质（比如电子）同时具有波动性和粒子性为前提，1926 年薛定谔给出了著名的薛定谔方程，从而能够正确描述波函数的量子行为。他对量子叠加态的阐述，也是大家熟悉的“薛定谔的猫”思想实验的来源。         

生于：1868 年 3 月 22 日，美国伊利诺伊州莫里森

卒于：1953 年 12 月 19 日，美国加利福尼亚州圣马利诺

获奖时的工作地：加利福尼亚理工学院，帕萨迪纳，美国加州

获奖评语：表彰他“在基本电荷和光电效应中做的工作”

研究领域：电磁效应，粒子物理

获奖情况：1923 年单独获奖

科学成就：19 世纪 90 年代，电子理论的传播使得电子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精确测量了基本电荷量的值。他通过平衡重力与电场力，将油滴悬浮于两片金属电极之间。通过对许多油滴进行实验后，密立根证明了它们的电荷总是一个确定值的倍数，因此认定这个确定值就是电荷值。

生于：1901 年 12 月 5 日，德国维尔茨堡

卒于：1976 年 2 月 1 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：莱比锡大学，德国

获奖评语：表彰他“创立了量子力学以及由此促进了氢的同素异形体的发现”

研究领域：量子物理

获奖情况：1932 年单独获奖

科学成就：1925 年，沃纳·卡尔·海森堡基于矩阵运算给出了一种量子理论的数学表述，称为矩阵力学，后被薛定谔证明与波动描述在数学上是等价的。1927 年，海森堡提出了著名的“不确定性原理”，即一个运动粒子的位置和速度不能同时被准确测量，其不确定度存在下限。

生于：1845 年 3 月 27 日，普鲁士伦内普（现德国雷姆沙伊德）

卒于：1923 年 2 月 10 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：慕尼黑大学，德国

获奖评语：表彰其“发现了意义非凡的射线，并在其中做出了杰出工作，这种新射线定名为伦琴射线”

研究领域：原子物理，X 射线

获奖情况：1901 年单独获奖

伦琴生于德国伦内普，长于荷兰。他于苏黎世联邦理工学院毕业并在那里得到了物理学博士学位。为了继续他的研究，伦琴先后在斯特拉斯堡、吉森、维尔茨堡的大学工作。在维尔茨堡，他获得了诺贝尔奖，这也是首届的诺贝尔物理学奖。1900 年，伦琴到了慕尼黑大学并在那里度过了他的余生。

值得一提的是，尽管 X 射线为他带来了诺贝尔物理学奖，但他把奖金全部捐给了维尔茨堡大学，也放弃了其专利权，最终在贫困中死于癌症。

科学成就：1895 年，伦琴把电极加载到两个置于真空玻璃管中的金属片上，用于研究阴极辐射。虽然装置被覆盖住，他还是观察到当感光板靠近时，其上有微弱的荧光出现。通过进一步试验，他证实了该现象是一种尚未为人所知的具有穿透性的射线产生的。后来 X 射线成为了物理研究和人体检查中的有力工具。

生于：1858 年 4 月 23 日，石勒苏益格基尔（现属德国）

卒于：1947 年 10 月 4 日，德国哥廷根

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖理由：表彰他“因发现能量量子而对物理学的发展做出杰出贡献”

研究领域：量子力学

获奖情况：1918 年单独获奖

科学成就：当一个黑体被加热时，照射到黑体表面的电磁辐射就会被黑体吸收并转化为热辐射，其光谱特征仅与黑体温度有关而与其材质无关。然而，用当时已知的物理定律计算热辐射会得出无意义的结果，即在高频区的热辐射能量会趋于无穷大。马克斯∙普朗克在 1900 年通过引入能量的量子化理论解决了这个问题。即任意电磁辐射的能量大小都与一个常量有关，后人将这个常量命名为“普朗克常数”。 

◆ 诺贝尔物理学奖的数量

从 1901 年至 2022 年，共颁发了 116 届诺贝尔物理学奖。其中，由于战争原因有六年没有颁发，分别是 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年。

独享和共享的诺贝尔物理学奖：47 次由一位获奖者独享；32 次由两位获奖者共享；37 次由三位获奖者共享。为什么会出现这样的情况？我们可以在诺贝尔委员会章程中找到答案：“若有两个被提名者的工作都同样出色难分伯仲，那奖金就可以由他们二人平分。如果获奖成果是由两到三人共同完成的，奖金则应授予项目共同完成人。但是，诺贝尔奖不能由超过三个人共享。” 

◆ 诺贝尔物理学奖得奖人数

1901-2022 年间，诺贝尔物理学奖共授予了 222 人次。其中，约翰∙巴丁（John Bardeen）是至今唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人，因此实际上有 221 人获得过诺贝尔物理学奖。

◆ 最年轻的物理学奖获得者

迄今为止，最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是当时年仅 25 岁的劳伦斯∙布拉格（Lawrence Bragg）。他于 1915 年和他的父亲一同获得该奖项。

 女性获奖者 

在所有诺贝尔物理学奖获得者中，仅有四名为女性，她们是：

1903 年的诺贝尔物理学奖获得者玛丽·居里（Marie Curie ）（大名鼎鼎的居里夫人，她还于 1911 年获得诺贝尔化学奖），1963 年的诺贝尔物理学奖获得者玛丽亚·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer），2018 年的诺贝尔物理奖获得者唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），以及 2020 年的物理奖获得者安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）。

◆ 全家一起“牛”的获奖者

夫妻&子女档：

玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里（Marie Curie and Pierre Curie）于1903年共同获得诺贝尔物理学奖。玛丽∙居里于 1911 年再次获得诺贝尔化学奖。

而且，他们的大女儿伊雷娜·约里奥-居里（IrèneJ oliot-Curie ），及其丈夫弗雷德里克·约里奥（ Frédéric Joliot）获得 1935 年的诺贝尔化学奖。

获得物理学奖的父子档：

图丨布拉格父子：威廉·亨利·布拉格（William Bragg）与威廉·劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）于 1915 年获奖

图丨西格巴恩父子：曼内·西格巴恩（Manne Siegbahn）与凯·西格巴恩（Kai M.Siegbahn）分别于 1924 年和 1981 年获奖

图丨汤姆森父子：约瑟夫·汤姆逊（J. J. Thomson）与乔治·佩吉特·汤姆逊（George Paget Thomson）分别于 1906 年和 1937 年获奖

◆ 上届诺贝尔物理奖得主

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）

出生：1947年6月15日，法国阿让

获奖时所属机构：法国巴黎萨克雷大学光学研究所，法国巴黎；巴黎综合理工学院，法国帕莱索

获奖原因：“用纠缠光子实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”

奖金份额：1/3

约翰·克劳泽（John F.Clauser）

出生：1942 年 12 月 1 日, 美国加利福尼亚州帕萨迪纳

获奖时所属机构：J. F. Clauser and Associates，美国加州核桃溪

获奖原因：“用纠缠光子实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”

奖金份额：1/3

安东·蔡林格（Anton Zeilinger）

出生：1945 年 5 月 20 日，奥地利因克瑞斯地区里德

获奖时所属机构：奥地利维也纳大学；奥地利科学院量子光学与量子信息研究所，奥地利维也纳

获奖原因：“用纠缠光子实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”

奖金份额：1/3

◆ 物理学奖金质奖章

物理学奖章由瑞典雕刻家埃里克∙林德贝格（Erik Lindberg）设计，其上刻绘着一幅美丽的场景：大自然的具像化女神伊希斯从云中浮现，手中握着象征丰饶的羊角，一位科学的守护女神正轻轻揭开伊希斯的面纱，露出了她冷峻的面容。

运营/排版：何晨龙

支持：路雨晴、Ren、杨立中、张智、邹名之（按名字首字母排序）

好了，关于2023年诺贝尔物理学奖揭晓：阿秒光脉冲技术研究者获奖，可用于研究物质中的电子动力学就讲到这。