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新实验完成了有史以来最短的时间测量


新实验完成了有史以来最短的时间测量
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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 。
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时间长度示意图（图片未按比例） 。 | 图片设计：雯雯子
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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 。
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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 。
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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 。


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