新实验完成了有史以来最短的时间测量

本文插图

本文插图
秒是我们生活中常用的最短的时间单位。短跑名将博尔特创造的100米短跑世界纪录是9.58秒，它已经代表了某种人类生理极限。我们常说的“一眨眼的功夫” ，大约是0.3~0.4秒。
但这些离“最短时间”的极限还差很远。科学家普遍认为，在已知物理学定律的尺度边界上，最小的时间尺度是普朗克时间，约5.4×10-44秒，也就是以真空光速通过普朗克长度（1.6×10-35米）所用的时间。
然而，人类现有的测量技术还无法企及这一时间尺度。在更短、更快的探索道路上，科学家始终在尝试突破。

本文插图
时间长度示意图（图片未按比例）。 | 图片设计：雯雯子

本文插图
在极短时间测量的历程中，一个飞跃性的里程碑来自化学家艾哈迈德·泽韦尔（Ahmed Zewail）。 1999年，泽韦尔因利用飞秒谱学研究化学反应的过渡态，被授予诺贝尔化学奖。
飞秒是多快？一飞秒等于10-15秒，也就是0.000000000000001秒。用一种更直观的说法，一飞秒与一秒的比例，相当于一秒和3200万年的比例。化学反应的实际发生，也就是化学键的形成和断裂，就发生在飞秒的时间尺度上。
泽韦尔的技术基于一种新的激光技术，能够以数十飞秒的量级闪光。利用这种高速照相机，就能在实际化学反应的过程中对分子成像，并捕捉到过渡态中分子的照片。

本文插图
飞秒化学示意图。首先，化学反应由激光闪光触发。在第一个脉冲之后，第二个激光脉冲以不同的时间间隔发送，对分子中发生的变化进行瞬时快照。 | 图片来源：DESY
泽韦尔也因此成为飞秒化学（femtochemistry）领域的奠基人，这一领域让人们从一种全新的时间尺度上理解化学反应的细节，并得到了广泛的应用。
在泽韦尔之后，时间测量的尺度仍在不断下降。直到2016年，科学家突破进入了仄秒（zeptosecond）尺度的范畴。一仄秒等于10-21秒，当时，一组研究人员利用激光测量出了时长850仄秒的时间增量。
近日，歌德大学原子物理学家Reinhard D?rner教授带领团队研究了一个时间更短的过程。他们测量了一个光子穿过一个氢分子所需的时间——对分子的平均键长而言，这一事件大约是247仄秒，这也是迄今为止成功测量的最短时间跨度。研究已于近日发表在《科学》杂志。

本文插图
光致电离是一种光与物质相互作用的基本量子过程。在这个过程中，光子与原子或分子相互作用，光子的吸收引发电子的逃逸。这一过程已经成为研究物质、分子、液体和固体的一种强大的工具。这一过程的时间通常取决于电子轨道、固体中的能量带、目标分子的方向、手性等等因素，但对其时间尺度的探索也带来了许多悬而未决的问题。
在这项新的研究中，科学家利用X射线对一个氢分子（包含两个质子和两个电子）进行辐照，并测量了时间。研究人员设定了X射线的能量，使得一个光子足以将两个电子从氢分子中发射出来。
光子会首先将一个电子从氢分子中“弹”出，接着再将第二个电子弹出。这个过程可以简单想象成，光子就像我们在河边扔出去的鹅卵石片，它在水面上弹起，掠过水面两次。