原子钟让开：核钟即将问世

原子钟是世界上最精确的计时手段，已有 70 多年的历史，但其统治地位可能最终将要终结。根据美国国家标准与技术研究所 (NIST) 9 月 4 日的公告，一个国际研究小组比以往任何时候都更接近完成第一台核钟原型。专家们相信，当它问世时，其精确度的提高不仅可以升级从 GPS 和互联网速度到数字安全的一切，这种设备还可以帮助探索暗物质的性质和其他基本粒子物理理论。

乍一看，这两种时钟似乎没有太大区别，但其实区别在于尺度。原子钟通过测量单个原子的精确振动来计时，从而确定一秒的时间。为此，需要用高能激光照射铯-133原子，随后激发其电子，使其在一秒的时间跨度内以精确的 9,192,631,770 次振动在能级之间变换。然后，全球原子钟网络通过这种测量来同步其系统，为互联网通信、测绘、航天发射等提供极其精确的协调。自 2014 年以来，美国目前的主要标准——位于 NIST 的铯喷泉钟——已经能够将误差控制在 3 亿年 1 秒以内。

然而，核钟会将这些概念应用到更加精细的参数上。顾名思义，这些设备关注的是单个原子核的振动，而不是较大原子的振动。照射原子核（比其整体原子小 10 万倍）的激光需要更高的频率，这也确保了每秒更多的波周期。这增加了每秒的振动，从而提高了准确性。从理论上讲，这会导致时间不确定性，相比之下，3 亿年似乎不可靠。

NIST 和 JILA 物理学家 Jun Ye 在周三的声明中表示：“想象一下，即使手表运行数十亿年，也不会慢一秒。虽然我们还没有完全实现，但这项研究使我们更接近这种精度水平。”

一般来说，原子核需要相干 X 射线才能产生类似的相位跃迁——但目前的技术根本无法产生实现这一目标所需的能量水平。为了解决这一障碍，研究人员转向钍-229，其原子核表现出的跃迁比任何其他已知原子都要小，而且只需要较低能量的紫外线进行刺激。

将钍原子核悬浮在小晶体中后，研究人员以可预测的间隔向其照射紫外激光束，同时使用所谓的光学频率梳（被描述为“极其精确的光尺”）来计算质子和中子的振动“滴答”。结果的精度水平比以前基于波长的测量高出约 100 万倍。该团队还将他们的紫外线频率与世界上另一个最精确的锶基原子钟的光频率进行了比较，以建立核跃迁和原子块之间的第一个“直接频率链接”——这是“开发核钟并将其与现有计时系统集成的关键一步”，NIST 表示。

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这些实验不仅打破了时间测量的障碍。新阵列还使物理学家能够以开创性的细节观察钍核的形状，该团队将其比作从飞机内部观察单个草叶。

虽然这还不是一台完全完成的核钟，但研究人员首次证明了其基本原理的可行性。从这里开始，专家们现在可以开始设计一个实际的设备来将这些工具付诸实践。完成后，核钟有朝一日可能会支持更快、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的理论常数，而所有这些都不需要大型粒子加速器。