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• 发布时间：2025-10-23 11:59:43
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自1967年以来，“秒”的界说一直用的是铯原子内部的电子振荡频率。跟着核钟的降生，时间界说或者将被改写。从更精准的卫星导航到暗物资探测，刚满“一岁”的核钟甚至还有不克不及持久不变事情，却已经激起科学家的运用热忱。但是，能用来制造核钟的高质量钍-229全世界只有40克，够用吗？

钍-229原子核激光可控跃迁的发明标记着“核时钟”行将到来，图为该历程艺术观点图。（图/《量子杂志》，经由AI处置惩罚）

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■寒潮/编译艾克哈德 佩克是一位“钟表匠”。不外，他玩弄的零件是年夜功率激光、电线，偶然还有有放射性原子。佩克是德国国度计量研究所所长，他与物理学偕行们花了长达30年时间，试图制造出宇宙中最周详的计时器。

自上世纪50年月至今，原子钟已经成长到很是精准的程度，偏差仅为约310亿年一秒。可是，一种新的时钟行将代替它——核钟于正确度及周详度上均有望逾越原子钟，理论上每一3000亿年才会偏差一秒。

为何咱们需要云云高的计时精度？由于，于许多弘大的宇宙摸索科研项目中，核钟可以帮忙科学家摸索一些宇宙中最深层的秘密，例如暗物资的性子，以和一些难以捉摸的、塑造宇宙的基本气力。

原子钟到核钟

电子振荡到中子振荡

原子钟的计时道理，实在是使用电子于原子核周围一对于轨道之间极其不变的振荡频率。电子于轨道之间的跃迁，可以经由过程激光照射来引发——激光的频率刚好与振荡的频率相匹配，这类状况被称为“共振”——每一秒光振荡的次数，决议了时钟的节拍。

就原子钟而言，每一秒的振荡次数极为不变，是以可将其用作很是切确的计时器。今朝最佳的原子钟利用的是镱或者锶原子。超乎平常的正确度使全世界定位体系（GPS）成为可能，使金融体系连结正常运转，并使咱们可以或许测试基本物理定律的极限，例如爱因斯坦广义相对于论所猜测的时间膨胀。

但原子钟也有局限性。电子位在原子的外层，是以轻易遭到电场及磁场的滋扰，致使共振发生偏移。比利时上帝教鲁汶年夜学的物理学家桑德罗 克莱默注释，这种时钟之以是有局限性，是由于“于试验室里，你必需节制所有的情况参数，包括将磁场、电场的滋扰降到最低，以是咱们总要与三木SEO-这些滋扰因素匹敌”。

1996年，莫斯科国立年夜学物理学家尤金 特卡利亚发明一个更好的解决要领：与其利用原子边沿的电子，不如利用于原子内部两个能级之间挪动的中子作为时钟的基础。

这类核钟比原子钟更胜一筹：电子的轨道会遭到杂散电场及磁场的影响，而中子则不受这些影响。中子只遭到强核力的影响，而强核力的彼此作用间隔极短，还有不到原子的宽度。是以，核钟丈量时间的精度可比原子钟超出跨越几个数目级。

对于在年夜大都原子核来讲，驱动这类共振所需要的激光功率，强盛到凌驾人类对于激光装配的假想。但放射性元素钍-229是个破例。美国加州年夜学洛杉矶分校的物理学家埃里克 哈德森说，与此刻凡是利用的原子钟比拟，钍-229所需的能量仍旧很高，“但已经经低到能用人们可以假想的激光来驱动了”。

与中子共振

寻觅振荡能量规模

在是，物理学家最先努力摸索中子振荡。最初也是最年夜的障碍是，没有人知道所需的能量究竟是几多。只有切确把握这个数值，才能调解激光器以孕育发生共振。这个数值没法经由过程计较患上出，只能经由过程过细的试验来测定。

中子振荡难以孕育发生的缘故原由于在强核力。顾名思义，强核力是最强盛的基本力，但只能于最短的间隔内孕育发生。这类力将基本粒子夸克束厄局促于一个“泡泡”中，从而孕育发生质子及中子。但只要稍稍脱离这个泡泡，强核力就会消散患上无影无踪。

时至今日，因为上述道理，要对于整个原子核中的强核力举行现实计较，仍旧很是坚苦。克莱默说，于粒子物理学的尺度模子中，有一个相称不错的强彼此作用模子。然而，要描写整个原子核，还有要思量太多其他的潜于彼此作用。

凡是，于这类环境下，物理学家会依靠类似值。然而，纵然举行了简化，人类最年夜的超等计较机也没有充足的能力来计较钍-229等重原子的物理布局。这象征着，与原子核内部运行有关的数值，必需经由过程试错来寻觅。

因为可能性太多，找到正解无异在年夜海捞针。从2009年最先的几年里，美国加州劳伦斯 利弗莫尔国度试验室的布雷特 贝克等物理学家将钍-229的跃迁能量规模不停缩小。然后，哈德森提出了一种新要领——再也不像其别人那样，针对于单个钍-229原子来丈量跃迁，而是经由过程将数十亿个原子嵌入晶体来加强旌旗灯号。这类要领终极可以更切确地丈量中子振荡所需的能量，并使制造核钟变患上可行。

到2023年，于瑞士日内瓦四周的欧洲核子研究中央（CERN）事情的物理学家们进一步缩小了能隙的不确定性。于此基础上，佩克及哈德森的研究小组别离从这个更窄区间的上限及下限最先摸索。

核钟“初生”

周详计量迎来曙光

断根了这个巨年夜障碍以后，建造可实用核钟的独一残剩步调就是，加强来自钍-229原子核的共振旌旗灯号，今朝这个旌旗灯号仍旧太弱。

要得到可用在时钟的旌旗灯号，就需要将激光更切确地调解到准确的能量上。2024年6月，中国科学院外籍院士、美国科罗拉多州博尔德市试验天体物理结合研究所的叶军吐露，他的团队已经经制造出了如许一种激光器。

于这篇登上《天然》杂志封面的论文中，叶军团队将他们的装配等同在核钟，但并不是所有人都赞成这一说法。佩克认为，叶军团队确凿取患了惊人的进展，但这其实不彻底切合时钟的界说，“时钟是一种显示时间的装配，应该可以或许以节制优良的频率运行，而且可以或许于一段充足长的时间内连续运行”。

然而，叶军团队研发的装配只运行了有限的几个周期，显然还有不敷不变到满意这必然义。不外，它已经经可以或许证实，核钟是探测基础物理学问题的有效东西。于叶军看来，“核物理周详计量迎来了曙光”。

于利用该装配举行的初次试验中，叶军团队将其与锶原子钟一路，丈量钍-229原子内部的核电四极矩。这是权衡原子核内部电荷对于称水平的一种要领，原子核天然前提下就像一个拉伸的球体。研究团队但愿相识的是，当原子核跃迁到能量稍高的状况时，四极矩是否会发生稍微变化。佩克试验室于2018年举行了一次近似的试验，没有检测到这类变化。但叶军试验室发明了1.8%的微小变化。此次丈量成果还有注解，与原子核外形有关的钍-229核体积也必然于发生变化。他们发明，微小的外形偏移可以用来确定核跃迁频率对于邃密布局常数的敏感性。

“从来没有人能于试验中不雅察到这一点。这真是向前迈出了很是年夜的一步。”克莱默暗示。

探测暗物资

于研核钟或者有奇效

叶军团队的研究与物理学上一个主要问题有关，即宇宙的基本物理常数是否真的原封不动。

基本物理常数是一个不雅测到的数值，好比各类力的强度，它们界说了宇宙的运行方式。任何一个基本常数的微小变化，城市影响从亚原子到宏不雅宇宙的一切物理学。“想一想年夜天然有几多工具是恒定稳定的？万物于某种水平上都是动态的。”哈德森说。

要回覆这个问题，核钟是最好选项。研究职员可以研制一台核钟及一台原子钟，前者重要受强核力支配，后者受电磁力支配。研究职员可以从中找到它们计时方式的微妙变化——任何差异均可以追溯到极小的天然常数变化。

其别人则但愿用这些时钟往返答更多问题。好比暗物资问题。这是一种神秘的物资，被认为占宇宙中所有物资的80%以上。核钟极有可能于追踪暗物资方面有奇效——今朝正于开发的核钟可能会对于超轻暗物资很是敏感。

物理学家已经知的是，暗物资只与其他物资发生引力作用，是以很难探测到。但一些模子猜测，超轻暗物资可以经由过程强核力来侵扰核钟。假如物理学家可以或许探测到这类征象，就能为超轻暗物资的存于提供证据。

全世界仅40克

估计运行2亿台核钟

于科技范畴，核钟还有有许多其他运用。原子钟中的电子会彼此排斥，而核钟中的中子则差别，当原子慎密地排于一路时，中子的状况不会遭到影响。这象征着基在钍-229原子的核钟可能比原子钟不变患上多。

这使患上核钟将成为下一代GPS卫星内置时钟的抱负候选者，由于对于位置举行极其切确的丈量，就需要核钟的这些特征。并且，哈德森还有指出，核钟是便携式的，且可以于任何温度下运行，“于GPS卫星上，原子钟远没有核钟好”。

核钟还有可以用来从头界说时间。自1967年以来，时间单元是按照铯原子的电子振荡频率来确定的。或许，未来可以按照中子振荡来界说秒。哈德森认为，只管尺度的转变需要很永劫间，但他信赖基在钍的时钟终极会成为尺度。

美中不足的是，钍-229极为稀缺。因为它自己存于放射性衰变，迄今没有靠得住的要领于天然界中找到钍-229。科学界现有的钍-229库存，实在是上世纪90年月核兵器规划竣事后留下的副产物，今朝地球上只有40克高质量的钍-229。克莱默暗示，欧洲核子研究中央可以出产出更多的钍-229，但也不是抱负的量产场合。

但克莱默也暗示，研究职员所需的钍-229量相称低。近来一次试验只需要0.17微克。换句话说，如今所有的钍-229也许能运行约莫2亿台核钟——这个数目充足研究职员动工了。

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