科學家全力打造世界首個核鍾，探秘宇宙新契機

在科羅拉多州一個實驗室的深夜，做出了一個可能重塑我們對時間和宇宙本身認知的發現。一個信號出現在計算機屏幕上，標誌着釷 - 229 原子核能量狀態的細微變化。而這不是普通的變化。它代表了世界上第一個初級核鐘的“滴答”聲。

最先看到這個信號的研究生 Chuankun Zhang 很快就和同事分享了這個消息。在接下來的幾個小時裡，他們確認了他們的發現，知道他們獲得了非凡的成果。

“我們花了一整晚做所有的測試，以檢查這是否真的是我們一直在尋找的信號，”Zhang 告訴《自然》，並補充道，成爲這一發現的一部分“感覺太棒啦”。

這一突破是近五十年研究的巔峰成果。但對於物理學家來說，這只是新旅程的開始——這不僅可能爲新一代超精密時鐘鋪平道路，而且還可能重新定義我們對基本力的掌握。

美國國家標準與技術研究院（NIST）與科羅拉多大學博爾德分校聯合成立的 JILA 研究所的物理學家們，已經展示了可能成爲現存最精確時鐘的關鍵組成部分——核鍾。

原子鐘通過原子周圍電子的運動來測量時間，而核鍾將追蹤原子核內更微妙、更快的能量變化。

由 NIST 和 JILA 的物理學家 Jun Ye 領導的團隊，測量了嵌入晶體中的釷 - 229 原子的原子核中引發能量躍遷的紫外線頻率。

這個頻率實際上就是核鐘的“滴答”聲，與世界上最精確的原子鐘之一同步。

結果呢？測量精度比以前的嘗試高出 10 萬倍，標誌着朝着構建一個全功能核鍾邁出了重大的一步。

目前，原子鐘設定了國際時間標準。它們依靠原子的振動來保持驚人的精確時間。在覈心層面，這些時鐘採用銫 - 133 原子，當它暴露於微波時，其電子會在兩個能量狀態之間以高度一致的頻率振盪。這個頻率，即一個自然的“滴答”聲，被用於計數以測量時間的流逝。通過調整激光和微波，使其與原子的固有振盪相匹配，原子鐘達到了非凡的精度水平。事實上，其精度如此之高，以至於要數十億年後纔會出現一秒的誤差。

那麼，如果我們已經能夠如此精確地測量時間，爲什麼還需要核鍾呢？原子核中的粒子與電子不同，它們在很大程度上不受電磁場等外部干擾的影響。這種穩定性使得核鐘不僅精度更高，而且比現有的原子鐘更堅固、更便攜。

核鐘的突破關鍵在於釷 - 229，這是一種 稀有同位素，具有獨特的特性：其原子核可以進行低能躍遷，可以被激光激發。這一特性於 20 世紀 70 年代首次被提出，當時研究核武器研究副產品的科學家注意到釷 - 229 原子核處於異常低能狀態。幾十年後，研究人員終於成功利用這一特性構建了世界上第一個核鍾原型。

建造核鍾並非易事。研究人員把數萬億個釷 - 229 原子嵌入到晶體中，並使用了一種稱爲頻率梳的專用設備。該設備發射激光頻率譜，使研究人員能夠同時探測多個能量狀態，並找到激發釷 - 229 原子核所需的精確頻率。

除了在計時方面的應用外，核鍾還代表了探索基礎物理學的新工具。因爲時鐘的頻率是由將原子核結合在一起的那種力所決定的，這些力的微小變化——可能是由像 暗物質 這樣的奇異粒子引起的——可以以前所未有的靈敏度被檢測到。

該時鐘對這些力具有高度敏感性，研究人員在新研究中聲稱，其對某些類型暗物質的敏感性可能比原子鐘高出 1 億倍。這可以幫助物理學家探究自然常數，如核力的強度或光速，是否隨着時間的推移真正保持恆定。

儘管潛力令人興奮，但在覈時鐘能夠超越原子鐘之前，仍有大量工作要做。JILA 團隊的原型雖然新穎，但尚未經過改進以連續測量時間。關於實現這種時鐘的最佳方式，也一直存在着爭論。釷 - 229 應該像現在這樣嵌入晶體中，還是捕獲單個原子會產生更好的結果？

用於誘導能量位移的激光技術也需要進一步發展。然而，目前的設置僅僅是更先進系統的原型，最終或許能構成實用核時鐘的基礎。回報也是值得的。更精確的時鐘可以改進 GPS 技術，實現對物理定律的新測試，甚至可能檢測到難以捉摸的暗物質粒子。

接下來的步驟將包括提高核時鐘的精度並測試其極限。研究人員希望藉助這項新技術，比以往更深入地探查宇宙的基本結構。物理學的基本常數會隨時間變化嗎？將原子和原子核結合在一起的力是否比我們目前所理解的更復雜？

隨着核鐘的問世，物理學家已準備好正面應對這些問題。雖然實現全功能核鐘的征程纔剛剛起步，但前方的道路有望爲時間、物質和宇宙自身的本質帶來新的認識。

用葉軍的話來說：“想象一下，有一塊手錶，即使你讓它運行數十億年，也不會丟失一秒。雖然我們還沒有完全達到那個水平，但這項研究讓我們更接近那種精度。”

這些發現被髮表在《自然.》雜誌上。