在飞秒化学中，人们可以进一步了解发生在气相、液相、固相、团簇和界面中分子的动力学行为，同时也希望从量子态-态相互作用的层次上对化学反应过程的实现控制。除此以外，还可以帮助我们了解发生在生物体系中的种种变化。这一切，将对人类对世界的认识产生深远的影响。
我们知道，从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反应过渡态的寿命一般只有几十个飞秒(10-15s)，所以必须在飞秒的时间尺度上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足够短的“快门”，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。一般的像机快门为125分之一秒，好的像机也不超过4000分之一秒。普通的快电子检测时间分辨只能达到纳秒(10-9s)数量级，特殊的电子检测也只能到若干个皮秒(10-12s)，所以无法对更快的过程进行直接测量。所以都无法达到对飞秒过程“拍照”的“快门”要求。
飞秒时间分辨的“快门”，是由一前一后的两束飞秒激光来达成的。这是因为一次“快门”的运动需要“开门”和“关门”两个动作。光的传播速度为每秒30万公里，由此我们可以计算出，如果我们把一束激光分成两束，从一束光引发化学变化，到第二束光探测为止。如果要两束光到达分子的时间相差只有1个飞秒，此时两束光的光程差别只能有0.3个微米(10-6m)。所以，实验中需要对两束以上光路进行精确的控制，其实验的难度可想而知。
运用激光的一个好处是，不同波长的激光可以选择性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，或量子态分布。通过对时间和波长的精心选择和控制，Zewail教授进行了许多经典的飞秒化学实验。在ICN→I+CN的实验中，他第一次测得了光解反应的过渡态寿命约为200飞秒。这是人类第一次直接从实验上观察到过渡态的变化过程。在另一个重要实验中，Zewail了NaI→Na+I的光解反应，第一次观察到了反应的过渡态在势能面上的震荡和解离的全过程。Zewail教授还研究了一系列从简单到复杂的化学和生物体系中各种类型的反应，包括单分子，双分子反应，其中有异构化，解离，电子转移，质子转移，分子内部的弛豫过程，还有许多生物过程的反应。他在实验观察的基础上，也从理论上也对这些过程进行了计算，并给出了很好的解释，大大推进了人类对比化学反应微观过程在深度和广度上的认识和控制能力。
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