计时进入核时代的关键一步

摘要：人类一直在通过测量认识世界、探索世界、改造世界，并推进测量的极限。时间测量就是一个典型的例子，现在最精确的原子钟每400亿年才有1秒的偏差，而宇宙的寿命也才138亿年。

图源：Pixabay

导读：

进入核钟时代，我们不仅将有可能更精确地知道现在是什么时间，还能更准确地知道我们生活在什么样的宇宙之中。

人类一直在通过测量认识世界、探索世界、改造世界，并推进测量的极限。时间测量就是一个典型的例子，现在最精确的原子钟每400亿年才有1秒的偏差，而宇宙的寿命也才138亿年。

物理学家依然不满足于此，正在追求更精确的钟——原子核钟。就在2024年9月，美国国家标准与技术研究所 (NIST) -科罗拉多大学博尔德分校实验天体物理联合研究所（JILA）的叶军教授领导的团队成功测量了核钟跃迁的精密光谱，为原子核钟奠定了基础，尽管在精度上尚未达到最好的原子钟的水平。原理上讲，原子核钟精度能达到3000亿年偏差1秒的程度 (Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 120802) 。

计时有必要如此精确吗？对于日常看时间，确实没必要，但对于一些更令人兴奋的事情就有必要了，如搜寻暗物质、探测强相互作用力等。科学历史反复证明过，测量精度提高一步，新的现象就会显现出来，我们对于世界的认知也可能会因此发生改变。

SAIXIANSHENG 计时的原理 计时的原理很简单，找到一种周期性现象，可以把一个或若干个周期作为计量时间的单位。自古以来，人类在生产生活实践中，通过对天体运动和昼夜更替的观察来计时。
摆钟的出现是计时工具史上一次伟大的变革，它不仅能够将计时精确到秒，而且展现了一种全新的计时原理，即利用稳定的振荡源来计时。英国钟表匠约翰·哈里森（John Harrison；1693年3月24日—1776年3月24日）潜心制作了几台高精度机械钟，让茫茫大海上航行的船舶可以精确定位自己当下所处的精度，使安全的长距离海上航行成为可能。这里有一段传奇故事，参阅《经度：一个孤独的天才解决所处时代最大难题的真实故事》一书。要提高计时精度，需要找到更高更稳定的振动频率。石英晶体加上电场后，会产生机械振动，频率可达几百兆赫兹，这种性质被用于石英钟表，精度让机械钟表望尘莫及，使世界钟表产业结构在20世纪70至80年代发生一场巨变，史称石英危机，也称石英革命。石英晶体振荡也有缺点，其频率受外界环境影响很大，稳定度比较差。原子内的电子在两个能级之间跃迁，要吸收或辐射特定频率的电磁波，其频率极端稳定，非常适合用于精确计时。原子钟应运而生。 1967年，秒被定义为铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。如果没有原子钟，GPS随时能把我们导航到沟里。原子钟让金融市场惊心动魄的实时交易更加刺激。原子钟让时间膨胀等匪夷所思的物理现象成为直观的现实体验，让神秘的黑洞现出“原形”。

天文学家历时5年拍出黑洞照片，完成这一壮举需要用到原子钟。图源：wikicommons

随着民航飞机飞行的原子钟与静止的原子钟显示的时间不同。图源：libretexts SAIXIANSHENG 更稳定的原子核跃迁 不过，原子钟依然不完美，因为原子中的电子能级会受到外界电场和磁场的干扰，且完全屏蔽电磁场是不可能做到的。

就像原子中的电子一样，原子核中的质子和中子也占据着离散的能级，因此原子核中也有类似的跃迁。原子核极端小，是核外电子分布范围的十万分之一，几乎不受外界环境的影响。因此，原子核中的跃迁有望带来一种比原子钟更精确的时钟——核钟。这个想法是俄罗斯物理学家Eugene Tkalya在1996年最早提出的（Physica Scripta. 1996，53 (3): 296）。

核跃迁能量更高，意味着产生的辐射的频率更高，这意味着每秒有更多的波周期，计时精度更高，但这也带来一个问题，没有这样的激光能激发核跃迁。看来，限制原子核钟的是能否制造出更强大的激光器。

不过，幸运的是，早在1976年，科学家就发现钍-229具有一种怪异的低能核跃迁（Nucl. Phys. A 1976，259, 29）能量的数量级只有几个电子伏，相比而言，通常的核跃迁能量在百万电子伏量级。

现在依然有一个难题，物理学家只知道钍-229的原子核有一个低能激发态能级，但不知道这个低能激发态的能量具体是多少。

能不能算出来呢？毕竟原子核物理已经相当成熟了。

原子核的理论确实很成熟，但用于计算整个原子核，所需计算量还是太大了，尤其是对于钍-229这样的重原子核，还没有超级计算机能完成这样的计算。

科学家们想到通过实验来确定。从2009年开始，物理学家们一直在取得缓慢的进步。直到物理学家想到一个新颖的方法，将钍-229掺杂到氟化钙晶体里，这样可以直接测量数十亿钍-229发出的信号，而不是像以前那样，测量单个钍-229原子。2023年，欧洲和美国科学家利用这种晶体，分别用两种不同的方法确定出了钍-229原子核跃迁的能量，对应的辐射的频率为2020.407太赫兹（论文正式发表于2024年：Phys. Rev. Lett. 2024, 132, 182501；Phys. Rev. Lett. 2024, 133, 013201），处于紫外线波段，更具体说是真空紫外线波段。小于200纳米的紫外线辐射会被空气强烈的吸收，因此称之为真空紫外线。

这个波段的激光是可以做出来的。

用激光激发钍-229原子核的低能跃迁。图源：APS 制造原子核钟在原理上已没有障碍。 SAIXIANSHENG 制备原子核钟曙光已现 钍-229原子核低能跃迁辐射的频率已经确定出来了，但精度对于做钟依然不够。
为了更准确地测出该频率，欧洲科学家将掺杂钍-229的晶体样品于2024年5月带到了叶军教授的实验室，因为需要使用这里的频率梳来测量。频率梳是一种特殊的激光系统，它能够发出离散的、频率等间距的激光，把光按频率由小到大排在一起，就像梳子一样。叶军实验室有世界上最强大的频率梳，频率间距又小又稳定，涵盖频率宽，能做到真空紫外范围，即核钟所需要的光频率（Nature, 2012, 482, 68）。

频率梳示意图。图源：Physics World

频率梳可以用作测量光频率的尺，先确定一个已知光的频率所对应的频率梳“梳齿”，再找到未知光频率所对应梳齿，数出来二者之间梳齿的数目，即可得出未知光频率。

叶军实验室的研究生们开始用频率梳精确确定激发钍-229原子核所需要的激光频率。经过日夜奋战，在2024年5月22日夜大约11点半，研究生张传坤看到了寻找已久的信号，他把屏幕上显示的尖峰拍了下来，发到了本课题的4个研究生的WhatsApp 群里。另三位同学看到信息，睡意全无，各自起床打车回到实验室。他们检查实验，排除各种可能的误差，最后确认看到的信号是真的。5月23日凌晨3点42分，4位伙伴拍了一张自拍照，以兹纪念。（此故事见Quantum Magazine和MIT科技评论的报道）

核钟4人组自拍，从右向左第二人为中国留学生张传坤。来源：Quanta Magazine

他们从频率梳上找到该频率的位置，以及当今精度最高的原子钟之一——锶-87 原子钟所对应的频率，确定出了钍-229原子核跃迁的频率，精度比前部分所述两个测量结果高百万倍。

频率梳激发钍-229原子核，精准确定激发频率。图源：Nature 2024, 633, 43

他们的测量结果于2024年9月发表于Nature （Nature 2024, 633, 63）。这一工作将核跃迁和原子钟频率通过频率梳联系在一起，即原则上可以给出核钟的两次“滴答”之间的时间间隔，这其实验证了研制核钟的可行性。尽管这项工作并没有真正测量时间，但核钟的核心部件在这个实验中已经初步具备。

要制备出真正的超精确的核钟，有一个突出的挑战亟需解决：如何降低钍-229的用量。

地球上的钍-229非常稀有，全球可以拿来用的纯钍-229只有40克，供实验室用的钍-229也只有几毫克而已。另外，钍-229是从铀矿中提炼而来的，成本很高昂，其本身也是放射性元素，从生产到实验，都要付出安全防护成本。

叶军团队与合作者在2024年12月发表的一项工作解决了这个难题。

前文所述钍-229核钟研究是将钍-229掺杂到晶体中，因而用量比较大。叶军团队与合作者利用成熟的物理气相沉积（PVD）工艺，得到了含钍-229的薄膜，厚度约 30至100 纳米，放射性降低了数千倍，与香蕉的放射性相当。