图片来源：Pixabay
撰文｜艾莉森·帕歇尔（Allison Parshall）
自古以来，太阳和月球规律的运行决定着地球上生命的节律。但数千年来，人类一直在寻找更精确的计时方法，比如钟摆的摆动周期，乃至如今电子钟表使用的石英晶体振荡周期。但缓慢滋生的无序状态总是会破坏计时系统的精准性。为了寻找真正恒定的计时方法，科学家将目光聚焦到了原子世界。原子的微小尺度和恒定特性使时间能被分割得更精细且更稳定，由此诞生了如今为全球标准时间提供基准的原子钟。它极其精准，每1亿年才会出现大约1秒的误差。
数十年来，物理学家一直在尝试更近一步，越过原子的外层电子，深入原子核内部，消除干扰时钟计时的噪声。现在，他们终于实现了构建核钟的关键步骤——精确测量钍-229原子核的跃迁频率。这项研究以封面故事的形式发表在2024年9月4日出版的《自然》（Nature）杂志上。
尽管这项工作演示的核钟系统精准度尚不及最先进的原子钟，但这项技术可能很快就能打破计时精准度的记录，并极大地改善全球定位系统（GPS）以及深空导航技术。此外，在原子核内进行如此精确的测量，或许能让物理学家触及物理世界中尚未被探索的广阔领域。
原子钟与核钟的工作原理相似。当原子吸收特定能量的光子时，原子会被“激发”，原子核外的电子会跃迁至更高能级。对于某一特定元素的所有原子，使它们跃迁到特定能级的电磁波频率非常稳定。原子钟可以利用这种稳定性进行高精度的时间测量，因为波的频率本身就是一种时间测量的结果。
但如果物理学家激发的不是原子中的电子，而仅仅是原子核，情况又会如何？原子核的大小仅为原子的十万分之一，质量却占整个原子的99.99%。激发如此微小而致密的原子核，通常需要极高能量的光子，这对传统激光技术提出了极大的挑战。不过如果能实现这一能量范围的精准激发，核钟将比原子钟具有更高的计时精度，且原子核对外界环境不敏感的特性也让它更稳定、计时偏差更小。不幸的是，对于绝大多数元素，没有一台桌面台式激光器能达到激发其原子核所需的能量。
但有一个例外：钍-229。激发这种同位素原子核所需的能量要低得多，处于核钟研发人员能实现的范围。但科学家必须确定该原子核能级跃迁所需的精确能量值——为此这需要建造全新的激光系统，以及全球物理学家多年来反复进行实验。
奥地利维也纳工业大学的物理学家索斯藤·舒姆（Thorsten Schumm，这项研究的通讯作者）说：从数量级角度看，在干草堆里找根针都比我们所做的事容易得多。”舒姆的研究团队培育出的透明晶体，包含了数万亿个无法移动的钍-229原子核。2024年春，他们将钍掺杂的晶体运送到美国科罗拉多州博尔德市的天体物理联合实验室（JILA），物理学家叶军（这项研究的通讯作者）的团队在这里运行着最精准的原子钟。叶军的团队开发了一种先进的激光系统，能将钍-229原子核跃迁频率可能的范围缩小到一个更加精确的数值，并且能将由此测得的原子核跃迁频率与原子的跃迁频率直接联系起来。
为了精确测量跃迁频率，研究团队需要向晶体发射不同频率的特制激光。在数周的时间里，研究人员一直在寻找微弱的能表明核跃迁成功的标志性紫外光。在科罗拉多大学博尔德分校叶军团队就读的研究生张传坤（Chuankun Zhang，音译）表示：“我们看到信号的首个迹象时，都快到午夜了。实验结束后，大家都兴奋得睡不着觉。”到凌晨4点时，研究团队证实他们成功激发了钍-229原子核，并将其频率测量结果与JILA的原子钟进行同步，而精确的原子核跃迁频率正是构建核钟的关键。就目前而言，钍-229原子核跃迁频率的精度能达到12位，相比之下，原子钟依然更精确，它可以到18位。
德国海德堡马克思·普朗克核物理研究所的物理学家若泽·R.克雷斯波·洛佩斯-乌拉科（José R. Crespo López-Urrutia，未参与这项研究）说道：“首次实现的重点不在于‘它只能显示12位的精度’，而在于‘他们能让这装置运行起来’。”他表示，剩下的技术难题或许“在数年内就能攻克”，有可能使时钟达到20位甚至21位的精度。
美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的埃里克·赫德森（Eric Hudson）团队也一直致力于培育钍掺杂晶体。他表示，核钟的晶体装置“可能会催生出更便携、更坚固的时钟，从实验室迈入更复杂的实际应用。”
便携式核钟可能会应用于GPS卫星或航天器导航系统中，使定位精度达到厘米甚至毫米级。它们还能为物理学家提供一种研究自然力的新方法。原子钟受电磁力支配，而核钟则属于神秘的强力的范畴。其中，强力能将原子核束缚在一起。洛佩斯-乌拉科表示，物理学家通常假设这两种力随时间变化保持恒定，通过对比这两种时钟的精密测量结果，可以检验这一假设的正确性。如果它们的计时频率相较彼此发生了变化，那么一直在寻找稳定计时装置的科学家可能会发现，这样的恒定性根本不存在。
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
