伊丽莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney）

《自然》杂志资深物理学记者

核时钟是一种通过测量原子核内微小能量跃迁计时的设备。物理学家已经知晓了制造核时钟需要的所有组件。这类时钟可能会大大提高测量精度，从而为基础物理学带来新的洞见。

研究人员测量了激发稀有同位素钍-229到更高能量态的光的频率，且精确度是此前所有实验的10万倍以上，具体方法是把这种能量跃迁同目前世界上最精准的时钟同步起来。领导这项研究的科学家是科罗拉多大学博尔德分校下属实验天体物理联合研究所的物理学家叶军和张传坤团队，相关文章发表在2024年9月的《自然》杂志上。

这次突破来自研究人员利用一种称为“频率梳”的激光设备探测钍-229原子核的实验。从技术角度上说，这个装置还不能算是钟，因为研究人员并没有直接用它测量时间。但实验结果相当出彩，完全可能推动核时钟的进步。

精确测量对粒子物理学而言相当有用。另外，因为核时钟的频率是由把原子核聚集在一起的基本力决定的，所以利用这种核时钟可以研究是否存在某种暗物质——暗物质是一种看不见的物质，占到宇宙物质总量的85%左右——可以在极小的尺度内影响这些力。这是直接研究核力的一扇新窗户。

目前，全世界性能最优秀的时钟称为“原子钟”，它利用激光计时——极为精确地调整激光频率，使其完美匹配激发原子内电子在两个能级之间跃迁需要的能量。最精确的原子钟每40亿年才会走快或走慢1秒。核时钟的工作原理与原子钟稍有不同：核时钟利用的是质子与中子进入激发态时的能量变化。

质子和中子的能量变化对应的激光频率也略高（紫外波段），因此，核时钟的走动精度完全可以媲美并且超过原子钟。不过，核时钟的最大潜在优势是精确度和稳定性的结合。相比电子，原子核内的粒子对电磁场之类的扰动不那么敏感，这意味着核时钟可以做到既稳定又便携。

然而，为了找到合适的原子核，并确定诱导其转变到不同能量态需要的频率，物理学家已经奋斗了50年。直到2023年，科学家才发现了触发跃迁需要的频率。然后就是2024年，他们成功地用激光切实触发了这种跃迁。

实验天体物理联合研究所团队运用一种称为频率梳的系统寻找晶体内数万亿个钍-229原子的跃迁频率。频率梳会输出一组间隔规律且均匀、明确的激光频率线。这样一来，研究人员就能一次用多种精确的频率照射晶体以寻找合适的频率，而不是像以前那样不停地用候选范围内的单一频率激光费力地扫描。

频率梳的设置——包括各种频率线之间的间隔宽度——可以用原子钟校准或调整。叶军团队做了几轮实验，当他们观察到钍-229原子从激发态衰变时产生的指示性闪光后，便通过相关装置计算信号频率。

频率梳的神奇之处在于，有了它，物理学家就可以测量某个时钟走动频率——在叶军团队的例子中是钍-229原子——与另一个已知频率（在这个例子中是某个原子钟）的比值。张传坤说，这不仅能让研究团队以极高的精确度得到绝对频率，而且还为物理学开拓了一些很棒的可能性。

如果某个时钟的走动速度与另一个时钟的比值会随时间而发生变化，那可能就意味着，决定能量高低水平的基本因素——比如强核力或电磁力——正在漂移或波动。按现在的理论预测，暗物质的特定“光”形式就会产生这种效应。基本力的任何变化都会在核原子跃迁频率中放大，所以，相比原子钟，核时钟对这类暗物质效应的敏感程度要高上大约1亿倍。

不过，核时钟要想真正全面超越原子钟——后者的精度现在是小数点后19位——还有更多工作要做。研究人员需要探索制造最精确的计时装置的具体方法究竟是什么：是把钍-229嵌入晶体吗？毕竟，晶体是固态的，这点对便携式时钟的制造来说更为方便。但以多个单个原子为单位加以处理是不是会产生更好的结果？激光系统也同样需要进一步打磨。幸运的是，这项神奇的技术潜力很大，完全有可能成为未来时钟的原型。

——李威编译自Nature