你想知道10^-15秒瞬间会发生什么吗?你想捕捉那个“神秘”瞬间吗?怎么能做到?别担心,飞秒激光技术助你实现愿望。一滴小水滴从高处轻轻下落,坠落到水面上,你是否只看到了下落的水滴和它坠入水面引起的小小“波澜”,但是你能看到下面的过程吗?在水面上跳跃起舞,接着破碎变小,如此反复几次,直至完全被水面吸收、消失。为什么我们“看不到”?为什么我们的肉眼无法捕捉到上面那样的过程?
这是因为人类的眼睛有着视觉残留的特性,就是光对视网膜产生的视觉在光停止作用后,仍会保留一段时间的现象,这个时间大概是0.1秒。所以我们在生活中看到的所谓的“瞬间”,其实都是大于0.1秒的,再快的过程我们肉眼就观察不到了!
关于“时间单位”的认知,你知道一个普通手机每秒能拍摄多少画面吗?答案是——30帧。什么意思呢?就是一秒钟内把三十幅图片连起来形成动态视频。
目前,一般家用摄像机每秒最多能达到100帧,高速摄像机可以达到每秒1000-10000帧的速度记录,有些军方专用的高速摄像机,甚至可以达到1百万-1千万帧每秒。1千万帧每秒?这是个什么概念?就是1/10,000,000秒内就要记录下一幅图片,这已经是高速摄像机里的电子元器件所能达到的最快速度了。够快了吗?然而,在真实微观的分子世界里,分子的运动到底有多快呢?
实际分子运动的时间范围可以达到皮秒,甚至飞秒数量级,最快可以到接近10个飞秒。飞秒是多快呢?我们来看看下面这张图,1飞秒就是把一秒分成1千份,再分,再分,连续分5次,分成1,000,000,000,000,000份,其中的一份就是1飞秒。我们换算成距离看看,也许会有更直接的认识,我们都知道光1秒钟传播的距离是30万千米,而1飞秒传播的距离只有。。。300纳米。
要给这么快的动态过程拍动画视频,把它真实地记录下来,用常规方法是做不到的!
飞秒激光技术来帮忙,怎么办呢?只有找到一种和分子运动差不多快的工具,我们才可以去追踪分子运动的动态过程。科学家们找到了这样一种技术,飞秒激光技术!!!帮助我们实现了给分子运动拍“动画”的愿望。这个激光不是连续的,而是一个一个脉冲,什么是脉冲呢?指一个物理量在短持续时间内突变后,迅速回到其初始状态的过程。
这就像发射子弹一样,每一发子弹就是一个脉冲,一个脉冲持续的时间可以很短,目前的技术,最快已经可以短到阿秒级,阿秒可是比飞秒还要短的10^-18秒。
而每发射一个脉冲,就如同按动了一下相机的快门,并且这种快门具有飞秒量级的时间分辨,这样我们就有了一个足够快的快门,可以在飞秒的时间尺度上记录下一张照片,能够把分子变化时那一瞬间的“故事”记录下来,再把一张一张照片连起来,这样就实现给分子运动拍摄实时动画的愿望了!
飞秒技术已经应用于大气化学、环境化学、星际化学等方向,同时,可以观测多肽和蛋白的瞬间结构变化,有助于我们更清楚地认识生命中的化学反应,同时对能源的开发与转化有极其重要的推动作用。