阿秒下面是什么?最短的时间有极限吗?| 袁岚峰

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10月3日参加直播,有2000万人次观看

最近,我在刚刚开放的安徽省科技馆新馆做了一场报告,讲2023年诺贝尔物理学奖(阿秒激光)和化学奖(量子点)。我首先告诉大家,阿秒的“阿”是个词头,英文atto,表示10的-18次方。词头是每3个量级一级:秒下面是毫秒,即10的-3次方秒;毫秒下面是微秒,即10的-6次方秒;微秒下面是纳秒,即10的-9次方秒;纳秒下面是皮秒,即10的-12次方秒;皮秒下面是飞秒,即10的-15次方秒;飞秒下面是阿秒,即10的-18次方秒。阿秒是一个非常短的时间,一秒里包含多少个阿秒,就好像宇宙目前的年龄138亿年里包含多少个秒。

阿秒之所以重要,是因为它是电子运动的典型时间尺度,而原子核运动的典型时间尺度是飞秒。所以要深入理解电子的运动,就必须以阿秒的分辨率对它成像。在这个意义上,阿秒激光是我们目前最精确的摄像机。

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阿秒是电子运动的时间尺度,阿秒激光是我们目前最精确的摄像机

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阿秒激光的基本来源:激光穿过惰性气体原子时产生的泛频

我做完报告之后,有一位同学提问:阿秒下面是什么?这样一层层地下去,有没有个极限?我告诉他,阿秒下一级是仄秒,zeptosecond,它是10的-21次方秒。在数学上,当然可以无限地缩小下去。但在物理上,还真的有个极限,它叫做普朗克时间。这个词的意思是,有一些基本的物理学常数如光速、量子力学中的普朗克常数、统计力学中的玻尔兹曼常数以及尤其重要的表示引力的万有引力常数,把这些基本常数组合起来,乘乘除除,就会得到特征的时间、特征的质量、特征的长度等等,分别叫做普朗克时间、普朗克质量、普朗克长度等等。普朗克时间约等于5.39 × 10-44秒,在这个时间尺度上万有引力会变得和电磁力、强相互作用、弱相互作用具有同等的强度,这时我们已知的物理理论就不适用了。所以在这个意义上,普朗克时间就是最短的时间。

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泛频强度本该递减,但1988年的实验发现,中间竟然有个平台

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2001年,两个研究组实现了250阿秒和650阿秒的脉冲

其实直到现在我们还没实现1阿秒

光电效应不再是瞬时的,可以测出时间!光从Ne原子的2p轨道打出电子比从2s轨道慢21阿秒

后面又有一位同学问:假如取0.01倍的普朗克时间,会怎么样呢?我告诉他,在数学上,不存在最大的数,也不存在最小的数。例如任取一个数,你总可以把它加1得到一个更大的数,也总可以把它乘以0.1得到一个更小的数。但在物理上,我们已知的物理规律在普朗克时间都会失效,我们就没法测量它了。所以并不是说在普朗克时间以下必然就不存在时间了,其实我们不知道它是否存在,但真正重要的是,要谈论一个物理量,首先要有办法测量它,由于无法测量,所以目前我们认为普朗克时间就是时间的极限。

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还有一位同学问:看到过一些美容广告,说它用到了皮秒技术,所以对皮肤有好处,请问这种说法对吗?我不由得大笑,皮秒的皮是pico这个词头的音译,跟皮肤毫无关系!后来我查了一下,皮秒激光确实可以用于美容。但无论如何,这肯定不是因为它姓“皮”。500

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