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2020-10-20 16:00
世界上最小的时间尺度是什么?

对氢分子的平均键长来说,一个光子穿过氢分子所需的时间是247仄秒。本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko,原文标题:《247×10⁻²¹秒!》,头图来自:《星际穿越》



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秒~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。


 时间长度示意图(图片未按比例)。| 图片设计:雯雯子



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。


 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 Dörner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。



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。


电子同时表现为粒子和波,因此第一个电子的发射会导致电子波首先从氢分子的一个原子中发射出来,然后从第二个原子中连续迅速发射,随之产生波的合并。当波谷遇到波峰时,第一次和第二次的波相互抵消,形成所谓的干涉图样。如果沿用刚才那个比方,简单来说,鹅卵石片每次与水面接触时,就会在水面上产生涟漪,而两次的波纹互相作用,就能形成一种独特的图案。


研究人员利用X射线对氢分子进行辐照,并根据观测计算出光子通过氢分子的时间。| 图片来源:Grundmann, S. et al./Science(图片有简略,原图可见论文)


接着,科学家利用COLTRIMS(冷靶反冲离子动量谱仪)反应显微镜测量了第一个被发射的电子的干涉图样。COLTRIMS是一种特殊的仪器,它能呈现出原子和分子中的超快速反应过程。


在测量干涉图样的同时,COLTRIMS反应显微镜还可以测定氢分子的方位。有了分子的空间方位,就可以利用两个电子波的干涉精确地计算出,光子是何时到达第一个氢原子的,又是何时到达第二个氢原子的。对于氢分子的平均键长而言,这一过程是247仄秒。这刷新了目前人类测量到的时间的新纪录。


针对这项研究,通讯作者Dörner教授表示,这是第一次观察到分子中的电子壳层不会同时与任何地方的光发生反应。时间延迟是因为分子内的信息只会以光速传播。这一发现也将COLTRIMS技术扩展到了一个新的应用领域。


参考来源:

[1]https://aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/physics-zeptoseconds-new-world-record-in-short-time-measurement/

[2]https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339

[3]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1999/summary/

[4]https://www.sciencealert.com/a-new-shortest-unit-of-time-has-just-been-measured-it-s-a-zeptosecond


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系 hezuo@huxiu.com
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