自1967年以来，“秒”的定义一直用的是铯原子内部的电子振荡频率。随着核钟的诞生，时间定义或将被改写。从更精准的卫星导航到暗物质探测，刚满“一岁”的核钟甚至还不能长期稳定工作，却已激起科学家的应用热情。可是，能用来制造核钟的高质量钍-229全球只有40克，够用吗？

钍-229原子核激光可控跃迁的发现标志着“核时钟”即将到来，图为该过程艺术概念图。（图/《量子杂志》，经由AI处理）

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■寒潮/编译

艾克哈德·佩克是一名“钟表匠”。不过，他摆弄的零件是大功率激光、电线，偶尔还有放射性原子。佩克是德国国家计量研究所所长，他与物理学同行们花了长达30年时间，试图制造出宇宙中最精密的计时器。

自上世纪50年代至今，原子钟已发展到非常精准的水平，误差仅为约310亿年一秒。但是，一种新的时钟即将取代它——核钟在准确度和精密度上均有望超越原子钟，理论上每3000亿年才会误差一秒。

为什么我们需要如此高的计时精度？因为，在很多宏大的宇宙探索科研项目中，核钟可以帮助科学家探索一些宇宙中最深层的奥秘，例如暗物质的性质，以及一些难以捉摸的、塑造宇宙的基本力量。

原子钟到核钟

电子振荡到中子振荡

原子钟的计时原理，其实是利用电子在原子核周围一对轨道之间极为稳定的振荡频率。电子在轨道之间的跃迁，可以通过激光照射来激发——激光的频率恰好与振荡的频率相匹配，这种状态被称为“共振”——每秒光振荡的次数，决定了时钟的节奏。

就原子钟而言，每秒的振荡次数极其稳定，因此可将其用作非常精确的计时器。目前最好的原子钟使用的是镱或锶原子。超乎寻常的准确度使全球定位系统（GPS）成为可能，使金融系统保持正常运转，并使我们能够测试基本物理定律的极限，例如爱因斯坦广义相对论所预测的时间膨胀。

但原子钟也有局限性。电子位于原子的外层，因此容易受到电场和磁场的干扰，导致共振发生偏移。比利时天主教鲁汶大学的物理学家桑德罗·克莱默解释，这类时钟之所以有局限性，是因为“在实验室里，你必须控制所有的环境参数，包括将磁场、电场的干扰降到最低，所以我们总要与这些干扰因素对抗”。

1996年，莫斯科国立大学物理学家尤金·特卡利亚发现一个更好的解决方法：与其使用原子边缘的电子，不如使用在原子内部两个能级之间移动的中子作为时钟的基础。

这种核钟比原子钟更胜一筹：电子的轨道会受到杂散电场和磁场的影响，而中子则不受这些影响。中子只受到强核力的影响，而强核力的相互作用距离极短，还不到原子的宽度。因此，核钟测量时间的精度可比原子钟高出几个数量级。

对于大多数原子核来说，驱动这种共振所需要的激光功率，强大到超出人类对激光装置的设想。但放射性元素钍-229是个例外。美国加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克·哈德森说，与现在通常使用的原子钟相比，钍-229所需的能量仍然很高，“但已经低到能用人们可以设想的激光来驱动了”。

与中子共振

寻找振荡能量范围

于是，物理学家开始努力探索中子振荡。最初也是最大的障碍是，没有人知道所需的能量到底是多少。只有精确掌握这个数值，才能调整激光器以产生共振。这个数值无法通过计算得出，只能通过细致的实验来测定。

中子振荡难以产生的原因在于强核力。顾名思义，强核力是最强大的基本力，但只能在最短的距离内产生。这种力将基本粒子夸克束缚在一个“泡泡”中，从而产生质子和中子。但只要稍稍离开这个泡泡，强核力就会消失得无影无踪。

时至今日，由于上述原理，要对整个原子核中的强核力进行实际计算，仍然非常困难。克莱默说，在粒子物理学的标准模型中，有一个相当不错的强相互作用模型。然而，要描述整个原子核，还要考虑太多其他的潜在相互作用。

通常，在这种情况下，物理学家会依赖近似值。然而，即使进行了简化，人类最大的超级计算机也没有足够的能力来计算钍-229等重原子的物理结构。这意味着，与原子核内部运行有关的数值，必须通过试错来寻找。

由于可能性太多，找到正解无异于大海捞针。从2009年开始的几年里，美国加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的布雷特·贝克等物理学家将钍-229的跃迁能量范围不断缩小。然后，哈德森提出了一种新方法——不再像其他人那样，针对单个钍-229原子来测量跃迁，而是通过将数十亿个原子嵌入晶体来增强信号。这种方法最终可以更精确地测量中子振荡所需的能量，并使制造核钟变得可行。

到2023年，在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）工作的物理学家们进一步缩小了能隙的不确定性。在此基础上，佩克和哈德森的研究小组分别从这个更窄区间的上限和下限开始探索。

核钟“初生”

精密计量迎来曙光

清除了这个巨大障碍之后，制作可实用核钟的唯一剩余步骤就是，增强来自钍-229原子核的共振信号，目前这个信号仍然太弱。

要获得可用于时钟的信号，就需要将激光更精确地调整到正确的能量上。2024年6月，中国科学院外籍院士、美国科罗拉多州博尔德市实验天体物理联合研究所的叶军透露，他的团队已经制造出了这样一种激光器。

在这篇登上《自然》杂志封面的论文中，叶军团队将他们的装置等同于核钟，但并非所有人都同意这一说法。佩克认为，叶军团队确实取得了惊人的进展，但这并不完全符合时钟的定义，“时钟是一种显示时间的装置，应该能够以控制良好的频率运行，并且能够在一段足够长的时间内持续运行”。

然而，叶军团队研发的装置只运行了有限的几个周期，显然还不够稳定到满足这一定义。不过，它已经能够证明，核钟是探测基础物理学问题的有用工具。在叶军看来，“核物理精密计量迎来了曙光”。

在使用该装置进行的首次实验中，叶军团队将其与锶原子钟一起，测量钍-229原子内部的核电四极矩。这是衡量原子核内部电荷对称程度的一种方法，原子核自然条件下就像一个拉伸的球体。研究团队希望了解的是，当原子核跃迁到能量稍高的状态时，四极矩是否会发生轻微变化。佩克实验室在2018年进行了一次类似的实验，没有检测到这种变化。但叶军实验室发现了1.8%的微小变化。这次测量结果还表明，与原子核形状有关的钍-229核体积也一定在发生变化。他们发现，微小的形状偏移可以用来确定核跃迁频率对精细结构常数的敏感性。

“从来没有人能在实验中观察到这一点。这真是向前迈出了非常大的一步。”克莱默表示。

探测暗物质

在研核钟或有奇效

叶军团队的研究与物理学上一个重要问题有关，即宇宙的基本物理常数是否真的一成不变。

基本物理常数是一个观测到的数值，比如各种力的强度，它们定义了宇宙的运行方式。任何一个基本常数的微小变化，都会影响从亚原子到宏观宇宙的一切物理学。“想想大自然有多少东西是恒定不变的？万物在某种程度上都是动态的。”哈德森说。

要回答这个问题，核钟是最佳选项。研究人员可以研制一台核钟和一台原子钟，前者主要受强核力支配，后者受电磁力支配。研究人员可以从中找到它们计时方式的微妙变化——任何差异都可以追溯到极小的自然常数变化。

其他人则希望用这些时钟来回答更多问题。比如暗物质问题。这是一种神秘的物质，被认为占宇宙中所有物质的80%以上。核钟极有可能在追踪暗物质方面有奇效——目前正在开发的核钟可能会对超轻暗物质非常敏感。

物理学家已知的是，暗物质只与其他物质发生引力作用，因此很难探测到。但一些模型预测，超轻暗物质可以通过强核力来扰乱核钟。如果物理学家能够探测到这种现象，就能为超轻暗物质的存在提供证据。

全球仅40克

预计运行2亿台核钟

在科技领域，核钟还有很多其他应用。原子钟中的电子会相互排斥，而核钟中的中子则不同，当原子紧密地排在一起时，中子的状态不会受到影响。这意味着基于钍-229原子的核钟可能比原子钟稳定得多。

这使得核钟将成为下一代GPS卫星内置时钟的理想候选者，因为对位置进行极为精确的测量，就需要核钟的这些特性。而且，哈德森还指出，核钟是便携式的，且可以在任何温度下运行，“在GPS卫星上，原子钟远没有核钟好”。

核钟还可以用来重新定义时间。自1967年以来，时间单位是根据铯原子的电子振荡频率来确定的。也许，将来可以根据中子振荡来定义秒。哈德森认为，尽管标准的改变需要很长时间，但他相信基于钍的时钟最终会成为标准。

美中不足的是，钍-229极其稀缺。由于它本身存在放射性衰变，迄今没有可靠的方法在自然界中找到钍-229。科学界现有的钍-229库存，其实是上世纪90年代核武器计划结束后留下的副产品，目前地球上只有40克高质量的钍-229。克莱默表示，欧洲核子研究中心可以生产出更多的钍-229，但也不是理想的量产场所。

但克莱默也表示，研究人员所需的钍-229量相当低。最近一次实验只需要0.17微克。换句话说，如今所有的钍-229或许能运行大约2亿台核钟——这个数量足够研究人员开工了。