科学家全力打造世界首个核钟，探秘宇宙新契机

在科罗拉多州一个实验室的深夜，做出了一个可能重塑我们对时间和宇宙本身认知的发现。一个信号出现在计算机屏幕上，标志着钍 - 229 原子核能量状态的细微变化。而这不是普通的变化。它代表了世界上第一个初级核钟的“滴答”声。

最先看到这个信号的研究生 Chuankun Zhang 很快就和同事分享了这个消息。在接下来的几个小时里，他们确认了他们的发现，知道他们获得了非凡的成果。

“我们花了一整晚做所有的测试，以检查这是否真的是我们一直在寻找的信号，”Zhang 告诉《自然》，并补充道，成为这一发现的一部分“感觉太棒啦”。

这一突破是近五十年研究的巅峰成果。但对于物理学家来说，这只是新旅程的开始——这不仅可能为新一代超精密时钟铺平道路，而且还可能重新定义我们对基本力的掌握。

美国国家标准与技术研究院（NIST）与科罗拉多大学博尔德分校联合成立的 JILA 研究所的物理学家们，已经展示了可能成为现存最精确时钟的关键组成部分——核钟。

原子钟通过原子周围电子的运动来测量时间，而核钟将追踪原子核内更微妙、更快的能量变化。

由 NIST 和 JILA 的物理学家 Jun Ye 领导的团队，测量了嵌入晶体中的钍 - 229 原子的原子核中引发能量跃迁的紫外线频率。

这个频率实际上就是核钟的“滴答”声，与世界上最精确的原子钟之一同步。

结果呢？测量精度比以前的尝试高出 10 万倍，标志着朝着构建一个全功能核钟迈出了重大的一步。

目前，原子钟设定了国际时间标准。它们依靠原子的振动来保持惊人的精确时间。在核心层面，这些时钟采用铯 - 133 原子，当它暴露于微波时，其电子会在两个能量状态之间以高度一致的频率振荡。这个频率，即一个自然的“滴答”声，被用于计数以测量时间的流逝。通过调整激光和微波，使其与原子的固有振荡相匹配，原子钟达到了非凡的精度水平。事实上，其精度如此之高，以至于要数十亿年后才会出现一秒的误差。

那么，如果我们已经能够如此精确地测量时间，为什么还需要核钟呢？原子核中的粒子与电子不同，它们在很大程度上不受电磁场等外部干扰的影响。这种稳定性使得核钟不仅精度更高，而且比现有的原子钟更坚固、更便携。

核钟的突破关键在于钍 - 229，这是一种 稀有同位素，具有独特的特性：其原子核可以进行低能跃迁，可以被激光激发。这一特性于 20 世纪 70 年代首次被提出，当时研究核武器研究副产品的科学家注意到钍 - 229 原子核处于异常低能状态。几十年后，研究人员终于成功利用这一特性构建了世界上第一个核钟原型。

建造核钟并非易事。研究人员把数万亿个钍 - 229 原子嵌入到晶体中，并使用了一种称为频率梳的专用设备。该设备发射激光频率谱，使研究人员能够同时探测多个能量状态，并找到激发钍 - 229 原子核所需的精确频率。

除了在计时方面的应用外，核钟还代表了探索基础物理学的新工具。因为时钟的频率是由将原子核结合在一起的那种力所决定的，这些力的微小变化——可能是由像 暗物质 这样的奇异粒子引起的——可以以前所未有的灵敏度被检测到。

该时钟对这些力具有高度敏感性，研究人员在新研究中声称，其对某些类型暗物质的敏感性可能比原子钟高出 1 亿倍。这可以帮助物理学家探究自然常数，如核力的强度或光速，是否随着时间的推移真正保持恒定。

尽管潜力令人兴奋，但在核时钟能够超越原子钟之前，仍有大量工作要做。JILA 团队的原型虽然新颖，但尚未经过改进以连续测量时间。关于实现这种时钟的最佳方式，也一直存在着争论。钍 - 229 应该像现在这样嵌入晶体中，还是捕获单个原子会产生更好的结果？

用于诱导能量位移的激光技术也需要进一步发展。然而，目前的设置仅仅是更先进系统的原型，最终或许能构成实用核时钟的基础。回报也是值得的。更精确的时钟可以改进 GPS 技术，实现对物理定律的新测试，甚至可能检测到难以捉摸的暗物质粒子。

接下来的步骤将包括提高核时钟的精度并测试其极限。研究人员希望借助这项新技术，比以往更深入地探查宇宙的基本结构。物理学的基本常数会随时间变化吗？将原子和原子核结合在一起的力是否比我们目前所理解的更复杂？

随着核钟的问世，物理学家已准备好正面应对这些问题。虽然实现全功能核钟的征程才刚刚起步，但前方的道路有望为时间、物质和宇宙自身的本质带来新的认识。

用叶军的话来说：“想象一下，有一块手表，即使你让它运行数十亿年，也不会丢失一秒。虽然我们还没有完全达到那个水平，但这项研究让我们更接近那种精度。”

这些发现被发表在《自然.》杂志上。