原子钟风光不再，核钟闪亮登场成焦点

原子钟作为世界上测量时间最精确的手段已有 70 多年，但它们的统治地位可能终于要结束了。根据美国国家标准与技术研究院（NIST）9 月 4 日的公告，一个国际研究团队比以往任何时候都更接近完成第一个核钟原型。当它出现时，专家认为其精度的提高不仅可以提升从 GPS、互联网速度到数字安全的一切——这样的设备还可能有助于探索暗物质的性质和其他基本粒子物理理论。

乍一看，这两种时钟之间似乎没有太大区别，但这完全取决于规模大小。原子钟的计时基于测量单个原子的精确振动来确定一秒。为此，一束高功率激光照射在铯 - 133 原子上，随后其电子在一秒内正好振动 9,192,631,770 次，从而在能级之间激发相变。全球的原子钟网络随后通过这种测量来同步它们的系统，为互联网通信、测绘、太空发射等众多用途提供极其精确的协调。自 2014 年以来，美国的主要现行标准——位于 NIST 的铯原子喷泉钟——能够在 3 亿年里将时间的不确定性保持在 1 秒。

然而，核钟将以呈指数级更精细调整的参数来应用这些概念。正如其名称所暗示的，这些设备专注于单个原子核的振动，而不是较大原子的振动。聚焦于原子核的激光（比其整个原子小 10 万倍）需要更高的频率，这也确保了每秒更多的波周期。这增加了每秒的振动次数，进而提高了精度。从理论上讲，这些所导致的时间不确定性，让 3 亿年相比之下显得不可靠。

“想象一下，有一只腕表，即便让其运行数十亿年，也不会走慢一秒，”美国国家标准与技术研究院（NIST）和 JILA 的物理学家 Jun Ye 在周三发布的公告中表示。“虽然我们尚未完全达到那个水平，但这项研究使我们更接近那种精度了。”

通常来讲，原子核需要相干 X 射线来产生类似的相位跃迁——但目前的技术根本无法达成此目的所需的能量水平。为了突破这一难关，研究人员转向了钍 - 229，其原子核呈现出比其他任何已知原子都小的跃迁，同时仅需较低能量的紫外线来进行激发。

一旦钍核被悬浮在一个小晶体里，研究人员会在可预测的时间间隔内用紫外线激光束照射它，同时使用被称为“极其精确的光尺”的光学频率梳来计算质子和中子的振动“滴答”次数。其结果的精度约比此前基于波长的测量高出 100 万倍。该团队还将其紫外线频率与世界上另一个最精确的基于锶的原子钟的光学频率进行对比，以在核跃迁与原子块之间建立首个“直接频率链接”——据美国国家标准与技术研究院（NIST）称，这是“开发核钟并将其与现有计时系统集成的关键一步”。

在这些实验中，打破的可不只是时间测量方面的障碍。新的阵列还让物理学家能够以前所未有的细致程度观察钍核的形状，该团队把这比作能够从飞机内部看到单根草叶的情形。

虽然这并非一个完全建成的核时钟，但研究人员首次证明了其基本原理的可行性。自此，专家们现在可以开始设计一个实际的装置，让此类工具投入实际应用。一旦完成，核时钟将来或许能够支持更快、更可靠的互联网连接，更精确的测绘系统，并促进物理学领域的重大发现，例如探测暗物质或验证自然界的理论常数，所有这些都无需大型粒子加速器。