一场惊险的公路旅行，改变了现代物理学：“阿秒物理之父”保罗·科克姆的半世纪追光之旅

▲保罗·科克姆（Paul Corkum）

保罗·科克姆，1943年生于加拿大新不伦瑞克省圣约翰，1972年在美国宾夕法尼亚州伯利恒利哈伊大学获得物理学博士学位。1973年，他加入加拿大国家研究委员会（CNRC）。半个世纪过去了，他领导着联合阿托秒科学实验室，是渥太华大学的杰出教授、渥太华大学极端光子联合中心的联合主任，并在德克萨斯农工大学和新墨西哥大学担任PI。他发表了360多篇科学期刊文章，引用次数超过47000次，曾担任美国国家研究委员会、欧洲研究理事会及英国工程与物理科学研究委员会的顾问。

1943年，保罗·科克姆出生于加拿大新不伦瑞克省的港口城市圣约翰。他的父亲是一位渔民，从小在船只和马达的轰鸣声中长大的科克姆，很早就展现出惊人的动手能力。邻居们常常看到这个少年在码头边修理渔船的马达，或是蹲在一辆旧野马跑车前，将发动机拆得七零八落，再凭记忆一点点组装回去。

这种从实践中培养出的自信，在1973年改变了科克姆的人生轨迹。当时，拥有宾夕法尼亚州利哈伊大学理论物理学博士学位的他，正在面试加拿大国家研究委员会（NRC）的职位。NRC原本想要的是一位“能在实验室发射激光的训练有素的实验者”，而科克姆的履历上写的分明是“等离子体行为理论”。

面对面试官的质疑：“你凭什么认为自己能做实验？”这位渔村出身的理论物理学家给出了一个令人意外的回答：“没问题。我可以把车拆开再组装，它就能正常工作。”

NRC给了这个“方孔中的圆钉”一个机会。没人能想到，这个决定将在半个世纪后，为加拿大赢得世界物理学界最崇高的声誉之一。

科克姆的学术之路始于加拿大东海岸的阿卡迪亚大学。1965年，他在那里获得理学学士学位，随后前往美国宾夕法尼亚州的利哈伊大学深造，于1967年和1972年分别获得理论物理学硕士和博士学位。

他的早期研究完全在纸笔和方程式中进行：等离子体行为的理论模拟哈人数学模型的构建。直到1973年加入NRC担任博士后研究员，他才真正转向实验物理学。这种从理论到实验的跨界，在当时的物理学界并不常见，却成为科克姆日后最重要的科学特质。

“他接受过理论训练，在很多方面仍然像理论学家一样思考。我觉得这一点非常重要”，斯托洛评价道，“实验的目的是什么？你可以去测量，但如果你明白背后的原因，效果会好得多。”

在NRC的早期岁月里，科克姆与同事们使用高达三层楼的强力激光，向微小目标发射极短脉冲。被集中的能量瞬间在极小物质中产生等离子体——一种电子被从原子中剥离后形成的带电物质状态。这种“人造火花”的温度短暂达到与太阳内部相近的程度，让科学家得以在地球上研究宇宙尺度的极端条件。

▲联合飞秒科学实验室的保罗·科克姆教授。照片：©加拿大国家研究委员会/康拉德·国家研究委员会

但科克姆并不满足于此。他希望使用更短、能量更高的激光脉冲来改进系统，甚至亲自参与设计和制造当时商业上尚不存在的先进激光器。正是这种对技术极限的追求，将他引向了一个困扰整个激光物理界的核心谜题。

1992年，一场学术会议后的公路旅行，彻底改变了现代物理学的面貌。

科克姆、斯托洛和实验室的另一位科学家米沙·伊万诺夫三人驾车从会议举办地新罕布什尔州返回渥太华。漫长的车程中，这位一向安静的物理学家突然开口了。

他提出一个大胆的假设：当激光脉冲照射原子时，电子可能被剥离，然后在激光场的振荡中重新被原子捕获，接着再次被剥离、再次捕获——如此循环往复。每当电子“重新与原子碰撞”时，就会发出一系列高次谐波，这正是实验中观测到的多达100种无法解释的颜色来源。

斯托洛回忆当时的场景时仍心有余悸：“科克姆在开车。斯托洛越来越紧张，因为科克姆不断松开方向盘，双手比划着解释他的新想法。”但三位物理学家最终安全抵达渥太华，而这个被称为“再碰撞模型”（recollision model）的想法，则像野火般迅速传遍了整个物理学界。

▲1993年发表在《Physical Review Letters》的论文

1993年，科克姆将这一观点写成论文发表，成为当年被引用次数最多的物理论文之一。这篇论文打开了一扇全新的大门：如果电子的再碰撞可以被精确控制，那么科学家就能利用这个过程产生极短的光脉冲——短到需要用“阿秒”（10-18秒）来衡量。

一阿秒是一百亿亿分之一秒。科克姆喜欢用一个形象的比喻来解释这个时间尺度：“一阿秒与一秒的比值，就像一秒与宇宙年龄的比值。”换句话说，阿秒是人类能够控制的最短时间事件，是在电子居住的“瞬息万变的世界”中按下快门的唯一方式。

“物理学中到处都是波，”科克姆解释道，“万物都由电子和原子核构成，两者都具有波动性。电子被质量远大的原子核强烈吸引。在分子或固体中，电子只需移动很短距离，作用在电子上的力就会改变。因此，电子生活在一个变化非常迅速的世界里——在阿秒尺度上。”

这场公路上的顿悟，让科克姆兴奋了整整两个月。“每天早上你起床都很兴奋。你一直在想着它。”他说，“这就像你敢于以多快的速度滑下坡，这在智力上是相当的。”

理论的突破只是第一步。科克姆面临的更大挑战是：如何将纸上的方程式转化为实验室里真实可测的阿秒脉冲？

经过数年的努力，科克姆与他的欧洲同事费伦茨·克劳斯博士首次成功产生了亚飞秒（即阿秒）脉冲。这些极其短暂的光闪使科学家能够捕捉电子的运动，并观察分子反应的实时过程。

“科克姆博士是第一位展示如何制造和测量阿秒脉冲的人，并展示了这项新技术如何用于成像原子级结构。”渥太华大学的官方介绍中写道。

这一突破的意义远超物理学本身。电子在分子和固体中的运动是化学反应、生物过程、材料特性的基础。能够观察和操控阿秒尺度的电子运动，意味着人类首次获得了“分子电影”的拍摄能力——可以实时观看化学键的断裂与形成，可以追踪光合作用中能量转移的每一个瞬间。

斯托洛认为科克姆是新场地创造的主要责任人：“我当时在场。我亲眼看到了。他真的是发明了……而且它产生了巨大的影响。整个领域都得到了发展和繁荣。”

尽管科克姆以实验物理学家的身份闻名于世，但他的科学方法论始终保留着理论根源。

“保罗最感兴趣的，大概是那些想法。科学是一项创造性的事业。”斯托洛说，“实验室和计算机就像行业的工具。仅仅因为你能运行计算机程序，它并不告诉你应该问什么问题。所以重要的是，应该问什么问题？”

科克姆自己总结道：“我用简单的方式思考物理学。你用数学，做实验，但你必须有个概念，知道该去哪里，什么重要，尝试什么。那大概是我的力量吧。”

这种对“简单性”的追求，与爱因斯坦的名言遥相呼应：“理论应该尽可能简单，但不能更简单。”科克姆的再碰撞模型正是这一哲学的完美体现——一张“几乎像卡通一样的图片”，却抓住了强场物理最本质的物理图像。

▲2013年，保罗·科克姆在渥太华大学实验室。 照片由Wayne Cuddington / 渥太华公民报拍摄

2013年，当他获得哈维奖时，表彰词特别称赞他“能够为极其复杂现象创建直观模型，从而推动其工作上的进展”。以色列理工学院的这一国际物理学奖项，与费萨尔国王国际科学奖同年授予科克姆，标志着阿秒科学从边缘领域走向物理学主流。

1973到2023年，科克姆把整整五十年交给了加拿大国家研究委员会。2008年，他站上渥太华大学的讲台，同时执掌NRC与该校共建的联合阿托秒科学实验室。五十年后，他的名字被铸成奖学金——2023年“基拉姆NRC保罗·科克姆奖学金”，成为加拿大科学传承的一部分。

▲Paul在NRC

▲保罗·科克姆于2013年获得费萨尔国王奖。照片由渥太华公民报拍摄

他的荣誉单长得惊人：加拿大格哈德·赫茨堡金奖、费萨尔国王奖、沃尔夫物理学奖、BBVA基金会知识前沿奖……早在2015年，汤森路透的“引文桂冠奖”就将科克姆列为诺贝尔物理学奖的有力候选人。2015年诺贝尔奖公布前，渥太华当地媒体甚至刊发了《这位气定神闲的渥太华科学家有望在周二获得诺贝尔奖》（The relaxed Ottawa scientist who may win a Nobel on Tuesday）的预热报道。赔率机构将他与克劳斯并列，但科克姆本人对此保持着物理学家的理性。

“他对这位赔率制定者并不太信任，”报道中写道，“他以物理学家的精准计算出汤森路透的成功率约为15%。”

▲2023年诺贝尔物理学奖

诺贝尔奖委员会最终将2023年物理学奖授予阿秒科学领域时，选择了安妮·勒惠利尔、费伦茨·克劳斯和皮埃尔·阿戈斯蒂尼，以表彰他们在“产生阿秒光脉冲以研究物质中电子动力学”方面的贡献。科克姆虽未在这一年获奖，但学界普遍认为，他作为这一领域的理论奠基人和实验开拓者，其贡献早已超越任何单一奖项的衡量。

在科学之外，科克姆是一个怎样的人？

他的妻子纳佳·科克姆给出了最权威的描述：“他从不为任何事情感到压力或难过。他非常平静，睡得好，还喜欢割草。和他相处起来非常容易。他从不生气。他热爱生活。”

“他现在的爱好是品尝好酒，阅读葡萄酒专栏，尝试不同的葡萄酒，”纳佳说。下班后他们喝一杯，最多一杯半。他记忆力极强，阅读《纽约时报》和《经济学人》，对国际事务产生兴趣，”他记得所有读到的内容。”

2015年诺贝尔奖公布前夕，纳佳对丈夫的叮嘱显示出这对夫妻的幽默与务实：“如果你不带回比利时巧克力，不管有没有诺贝尔奖，一切都完了。”这大概只是无谓的威胁，因为这对夫妻已经幸福地结婚近50年了。

今天的科克姆，仍然活跃在研究第一线。科克姆和斯托洛已获得1500万美元资金，用于渥太华大学新大楼的重大设施建设。

阿秒科学的应用前景令人振奋。在医学领域，阿秒脉冲可能实现对生物分子内部电子运动的实时成像，为药物设计和疾病机制研究提供全新工具；在计算领域，操控电子在阿秒尺度的运动可能带来全新的信息处理范式；在能源领域，理解光合作用中的电荷转移过程可能启发更高效的太阳能电池；在材料科学中，阿秒技术可以追踪相变过程中的电子重组，指导新型超导体的设计。“他的研究使物理学家们更接近于测量和控制电子在分子或固体中高速运动的过程，”NRC的官方介绍写道，“这种对电子在阿秒时间的操控可能为计算、工程和医学等不同领域带来突破。”

▲保罗·科克姆在实验室

从1992年公路上的那个想法，到今天遍布全球的阿秒实验室；从一辆旧野马跑车的发动机，到能够拍摄电子运动的超级激光器；从圣约翰港口的渔家少年，到被誉为“阿秒物理之父”的科学巨匠——保罗·科克姆的追光之旅，还在继续。

“物理学中到处都是波，”他仍然这样告诉每一位走进他实验室的年轻人。在这个由电子和原子核构成的波动世界里，科克姆用半个世纪的时间，教会人类如何按下最短的快门，捕捉宇宙中最快的舞蹈。

而那个快门，还在以阿秒的速度，一次次开合。

编译：卷毛