В повседневной жизни мы воспринимаем время в секундах, минутах и часах, зачастую не задумываясь о том, насколько быстро протекают события в микромире. Но для атомов, электронов и молекул секунда — это целая вечность. Современные учёные, вооружённые передовыми лазерными технологиями, учатся «замораживать» и наблюдать процессы, которые происходят за квинтиллионную часть секунды, то есть на временной шкале, измеряемой в аттосекундах. Погружение в эту невероятно короткую временную область открывает совершенно новую главу в понимании физики и химии, раскрывая тайны, которые ранее оставались недоступными для экспериментального изучения. Аттосекунда — это доля времени, обозначаемая как 0,000000000000000001 секунды.
Чтобы представить эту величину, достаточно сказать, что в одной секунде содержится столько аттосекунд, сколько секунд прошло с момента Большого взрыва, случившегося примерно 13,8 миллиарда лет назад. Свет, движущийся с беспрецедентной скоростью около 186 тысяч миль в секунду (почти 300 тысяч километров в секунду), за одну аттосекунду проходит расстояние, равное размеру одного атома. Эта невероятная скорость и масштаб времени делают аттосекундные исследования особенно важными для изучения движения электронов и атомных взаимодействий. Рост возможностей лазерной техники сыграл ключевую роль в открытии новых горизонтов проводимых экспериментов. Учёные используют ультракороткие лазерные вспышки для пробуждения и отслеживания динамических процессов на атомарном уровне.
Используя метод высоко гармонической генерации (HHG), который был отмечен Нобелевской премией по физике в 2023 году, они сокращают длительность лазерных импульсов от фемтосекунд до аттосекунд, что позволяет наблюдать невероятно быстрые движения электронов в реальном времени. Область науки, изучающая эти сверхкороткие промежутки времени, получила название аттосекундной физики и химии. Исследования на этом фронте позволяют понять фундаментальные процессы, которые лежат в основе химических реакций, таких как разрыв и создание химических связей, электронные переходы между энергетическими уровнями и преобразования молекул. На самом деле, многие из этих процессов происходят настолько быстро, что без таких инновационных методов учёные могли лишь строить теоретические модели, не имея возможности получить экспериментальные подтверждения. Одним из пионеров в этой сфере является Стивен Леоне, физик-химик из Калифорнийского университета в Беркли.
Его команда использует так называемые «памп-проб» методы, в которых последовательность лазерных вспышек с фиксированной задержкой помогает создавать видеозаписи молекулярных изменений с временным разрешением в одну аттосекунду. Это позволяет фактически «замораживать» молекулы в движении и фиксировать их состояние в каждый конкретный момент времени. Такое наблюдение даёт уникальную возможность понять, как электроны ведут себя на крайне малых временных и пространственных масштабах, и как именно энергия распределяется внутри атомов и молекул во время реакций. Углубляясь в исследование этих процессов, учёные выявили не только классические явления вроде разрыва связей, но и множество более тонких механизмов, таких как пересечение энергетических поверхностей и конусообразные пересечения. Эти сложные феномены связаны с квантовой природой электронов и материалами внутри молекул, когда электроны выбирают между разными путями перераспределения энергии.
Понимание этих процессов имеет огромный потенциал в биологии, поскольку оно проливает свет на механизмы защиты ДНК и РНК от повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, что напрямую влияет на сохранение генетической информации и предотвращение развития различных заболеваний. Использование аттосекундных технологий выходит за рамки фундаментальной науки. Практические применения включают возможность создания новых материалов и молекул, «запрограммированных» для выполнения специфических функций, а также разработку методов диагностики заболеваний, основанных на фиксации химических изменений в крови и других биологических жидкостях. Перспективы применения также охватывают квантовые вычисления и создание сверхточных атомных и ядерных часов, способных измерять время с невиданной точностью. Более того, осуществление экспериментов с интенсивностью и энергией, достигаемой в аттосекундных импульсах, открывает двери в неизведанные области физики.
Теоретики рассматривают возможность прямого воздействия на квантовую вакуумную энергию, где парные частицы виртуально возникают и исчезают в течение еще более коротких времен, чем аттосекунда. Достижение таких уровней лазерной интенсивности могло бы позволить не только наблюдать, но и контролировать эти виртуальные частицы, что стало бы прорывом в понимании основ физики и природы пространства и времени. Помимо углубления знаний о фундаментальных явлениях, аттосекундные технологии привлекают внимание исследователей космических загадок. Среди них — поиск темной материи, загадочной субстанции, которая формирует основу гравитационной структуры Вселенной, но до сих пор не была непосредственно обнаружена. Используя ядерную спектроскопию и развитие ядерных часов, учёные надеются определить мельчайшие отклонения, вызванные взаимодействием частиц темной материи с обычной материей.
Эта инновационная методика потенциально способна пролить свет на одну из самых больших загадок современной космологии. Работа в этой динамично развивающейся области требует не только теоретического понимания, но и высокого уровня техники и оснащения. В лабораториях, где проводятся эксперименты, можно увидеть сложные оптические установки, состоящие из крошечных линз, кристаллов и вакуумных камер, где каждый лазерный луч тщательно направляется, изменяется и синхронизируется с временным разрешением, измеряемым в аттосекундах. Такие лаборатории напоминают некий научный хай-тек «стимпанк», где технологии и искусство создания сверхкоротких импульсов сливаются в единое целое. Аттосекундная наука — это удивительное сочетание высоких технологий, квантовой физики и химии с перспективами глубоких влияний на здоровое будущее человечества.
Благодаря накопленным знаниям возможно не только более полное понимание окружающего мира на уровне атомов, но и создание технологий завтрашнего дня, от медицины до энергетики и космических исследований. Каждый новый импульс лазера в лаборатории — это еще один шаг к разгадке самых быстрых и таинственных процессов во Вселенной, которые происходят в масштабе, граничащем с понятием мгновения. Воспринимая мир сквозь призму аттосекунд, люди открывают двери в пространство, где время буквально останавливается, оставляя место для вдохновения, открытий и новых горизонтов научного прогресса. Исследования, начавшиеся как quest ради чистой науки, уже сегодня меняют наше отношение к химии, биологии и физике, показывая, что даже мельчайшая частица времени может открывать гигантские возможности.
