科學家測出有史以來最短時間單位,小數點後面跟了 18 個 0:光子穿越氫分子

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 20 日 10:11 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


年、月、分、秒是我們最熟悉的時間單位,不過對科學家的日常研究來說,時間可以再更小一點。最近,物理學家首次測出一個比飛秒(10 -15 秒)還要短幾個數量級的過程,為光子穿越氫分子所花費的時間,僅 247 仄秒(zeptoseconds,縮寫 zs);或者說 0.000000000000000000247 秒。

1999 年,埃及化學家亞米德·齊威爾(Ahmed Zewail)因測量分子改變形狀的速度而獲得諾貝爾獎,並建立了飛秒化學領域,研究在極短時間內化學反應的過程和機理,他的測量以飛秒為單位,1 飛秒等於 0.000000000000001 秒,即 10 -15  秒;而在飛秒之後還有更小的阿秒,為 10 -18  秒。

但是阿秒也不是目前已知最小的時間單位。一些時間基本單位從大到小排列分別為:千年、世紀、年代、年、季度、月、旬、星期、日、時辰、小時、刻、分、秒、毫秒(ms)、微秒(µs)、奈秒(ns)、皮秒(ps)、飛秒(fs)、阿秒(as)、仄秒(zs)、以及目前理論上時間最小可測量單位「普朗克時間」,其中仄秒為 10 -21  秒,也就是小數點後面跟了 20 個 0 和 1 個 1。

已知化學鍵的斷裂與形成落在飛秒之間,然而現在,德國法蘭克福大學物理學家 ReinhardDörner 團隊透過德國電子加速器(DESY)實驗,找到了比飛秒還要更短的過程:來自光子穿過單個氫分子(H2),僅發生在仄秒之間。

當具有一定能量的光子或光粒子撞擊電子時,能使電子從原子中釋放出來,因此研究人員先設定好 X 射線能量,讓單個光子像打水漂一樣把氫分子中的 2 個電子踢除(一個氫分子由 2 個質子和 2 個電子組成),由於電子同時表現為粒子和波,這些相互作用故產生一干涉圖樣( interference pattern),隨後研究人員利用專業儀器 COLTRIMS 記錄下這些極快的原子和分子反應。

由於科學家知道氫分子的空間定向(spatial orientation),因此透過兩個電子波的干涉可精確計算光子何時到達第 1 個氫原子及第 2 個氫原子,最終得出穿越結果為 247 仄秒。

前些年,另一個團隊也測量過光子撞擊氦原子後釋出電子需要多少時間,實驗表明,氦原子需 850 仄秒才能射出其中一個電子,也就是說新的測量比以前的記錄還要快了約 3.4 倍。在測量時間跨度越來越短的全球競賽中,目前光子穿越氫分子居冠。

這些量子過程工作原理可能對未來的量子計算和超導領域有所幫助。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:德國電子加速器官網)

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