中國時報 2008.11.23 
阿秒 物理界追求的超光速
陳至中/專題報導

     天文學家追求大數字,物理學家則追求小數字。奧運競速比賽以千分之一秒(毫秒)定輸贏,照相機的快門能捕捉秒 (微秒),精密的雷射脈衝則能到達秒 (皮秒),可觀察到分子的運動。但科學家不以此滿足,目前物理學界最前沿追求的是秒(阿秒)的速度,小到連電子的移動,都能看的一清二楚。

     剎那0.018秒 阿秒再快1萬億倍

     阿秒有多快?佛家說的一「剎那」,相當於0.018秒,已如電光石火,一閃即過,但仍是一阿秒的1萬億倍。在1阿秒中,即便快如光速也只能走0.3奈米,相當於3個原子的距離。科學家不斷追求極小的事物及極短暫的變化,目前全世界最短的脈衝已達到80阿秒,但使用的是軟X光,無法打進物體裡,實用性較小;中研院則領先世界製出單一周期、波寬達440阿秒的紫外光,凝態物體皆能穿透。

     440阿秒、甚至是未來的阿秒脈衝,能對我們的生活有什麼幫助呢?中央研究院原子與分子科學所研究員孔慶昌舉例,半導體產業發展的28奈米製程半導體,要觀察電子在如此細微尺度的運動與變化,就需約100阿秒的脈衝,才能達到需要的解析度。

     高速物理發展項目 開創新世界

     在學術運用上,電子在氫核子繞1圈約需24阿秒。目前科技無法觀測,只能「想像」,未來若能發展出阿秒脈衝,就能認證目前所想像的模式,甚至改進、推翻、發展出另一套模式。

     「這是為後面100百年作準備!」孔慶昌說。100多年前(1888年)德國科學家赫茲證明電磁波的存在,實驗室的外頭,還在騎馬車、燃燒煤炭,連他自己都不確定他發現的「沒有線的波」,在日常生活中有任何應用。但現在人人拿著手機,電視、電台傳遞訊號,人們已無法想像沒有電磁波的世界。

     觀察電子的變化 推進電磁應用

     科學家的工作是先瞭解物理特性,之後才能有發明;而新的發明,也能改正過去錯誤的觀念。舉例來說,當初人們以為馬在急速奔跑時,必須要有一隻腿接觸地面,但快速照相技術發明後,證實馬事實上是騰空躍起,四隻腳都離開地面。貓舔牛奶時,亦不如一般想像是向外捲屈舌頭把牛奶盛進口中,而是向內彎曲,在舌底下方把牛奶帶進口中。這些都是在快速攝影技術發展出來後,才揭露在人類眼前的真相。

     分子、原子、電子的運動,是科學家熱中研究的項目,前中研院院長李遠哲即以分子動力學為題獲得諾貝爾獎。1970年代,科學家發明的雷射脈衝已可達到秒 (皮秒),可看到分子運轉時發生的過程;1990年代,進展至秒 (飛秒),科學家可觀察分子的震盪運動,及原子與原子核外的變化。但要看到原子分子內電子的變化,就需達到秒 (阿秒)。

     細胞DNA瞬間現形 解癌症之謎

     唯有觀察至如此細微,科學家才能在第一時間抓到電子與周邊交互作用的細節,目前只能觀察後續作用。有朝一日,雷射脈衝攝影技術發展至阿秒,將可看到細胞內DNA分子、電子的跳躍,使得DNA突變的瞬間現形,或許可以解開癌症之謎,這是指日可待的。

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