浙江
科學家們正將時間切分得前所未有地精細。近期，兩支國際研究團隊分別在實驗室中構建出了全新的“核鐘”，利用釷?229原子核的高頻振動來計時，被視為時間測量技術上的重要里程碑。
從數數、觀察鐘擺擺動，到利用石英晶體在電場作用下產生的壓電振動，人類發明了多種計時方式，精度也在不斷提高。過去七十多年里，依靠銫原子電子在不同軌道之間的躍遷頻率，原子鐘一直是時間計量的“金標準”。
然而，電子并不是原子內部唯一可以規則振動的部分。原子核本身也會在不同能級之間發生類似“振蕩”，而且振蕩對應的能量更高、頻率更快，意味著單位時間內可以塞入更多“滴答”，從而在理論上提供比傳統原子鐘更高的時間分辨率。
早在2003年，研究人員就意識到，某種釷同位素的假想“核躍遷”頻率，可能落在現代激光技術可以覆蓋的范圍之內，使其有望被激發并用于計時。此后，他們花費13年時間，終于在實驗中觀測到這一現象，又用大約12年進一步精確測定了所需紫外光的具體波長，為打造真正可用的“核鐘”做好了關鍵參數準備。
真正的難關出現在工程實現層面：要在大氣中傳輸這種極易被氣體吸收的深紫外光，必須找到一種既能穩固束縛釷?229原子核、又便于光照射的固體環境。最新的兩項實驗工作中，一支由維也納量子科學與技術中心研究人員盧卡·托斯卡尼·德·科爾領銜的團隊，另一支由清華大學物理學家黃北辰帶領的團隊，都選擇將釷?229原子核封裝在氟化鈣晶體中，成功跨過了這一技術門檻。
為了克服余下的實驗挑戰，兩組團隊采用了不同策略：黃北辰團隊通過提高紫外激光的功率增強激發效率，而托斯卡尼·德·科爾團隊則選擇增加釷?229同位素在晶體中的濃度，以提升信號強度。這兩條路線最終都實現了可運行的核鐘原型，為核能級振蕩走向實用化計時裝置提供了現實佐證。
目前，人類最先進的離子原子鐘可以將時間精度推到小數點后19位，這意味著在宇宙年齡尺度下，它們累計誤差依然極其微小。理論研究顯示，基于釷?229核躍遷的核鐘，有望在這一水平之上再進一步，把時間切分得更加細致。
時間被切得越細，科學家就越有可能察覺到極其微弱的效應，例如重力和加速度對時空結構施加的細微影響。超高精度時鐘不僅是驗證廣義相對論等理論的利器，也為在極小尺度上尋找標準模型可能存在的破綻提供了新工具。
為檢驗新裝置的性能，托斯卡尼·德·科爾團隊還將核鐘用于搜尋低質量暗物質的跡象，希望通過時間頻率的異常微小變化捕捉暗物質與普通物質相互作用的蛛絲馬跡。如果這類實驗成功，將有望為解釋宇宙中約85%尚未被直接探測到的質量成分提供關鍵線索。
目前，這兩項成果均以預印本形式發表于arXiv平臺，對實驗細節和數據進行了公開。可以預見，隨著相關技術不斷成熟，核鐘將在基礎物理研究、導航系統、地球重力場測量乃至高精度通信等領域打開新的應用空間，為人類掌握時間的能力再添一枚“終極秒表”。
與用“Mississippi”數秒相比，這些以原子核為“擺針”的新一代時鐘，顯然讓我們距離完美計時又近了一步。
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