核鐘將原子時間帶入原子核內部

七十多年來，世界上最精確的鐘錶一直是透過觀察原子中電子在能階之間躍遷來計時。如今，物理學家已將同樣的技巧推進了一層——深入到原子核本身。兩個研究團隊，一個由中國清華大學的科學家領導，另一個橫跨數個歐洲國家，在《自然》期刊上報告，他們各自建造了一座釷-229核鐘，能在穩定、自我校正的迴路中運轉。這是首次以原子核內部的能階，而非其周圍電子雲的能階，作為可運作的時間參考。奧地利維也納工業大學的原子物理學家、歐洲團隊的主要成員托斯滕·舒姆稱這項成就為夢想成真，並指出這個領域不久前還只是一個安靜的小眾領域。

釷-229的吸引力在於核物理的一個奇特現象。大多數原子核需要巨大的能量才能在狀態之間轉換，這使它們超出了普通雷射的範圍。釷-229有一個異常低的激發態，可以用紫外光範圍的光達到。這使得用雷射驅動躍遷並讀取滴答聲成為可能，就像光學原子鐘的運作方式一樣。

原子核比原子小得多，且對外界有更好的屏蔽，因此核鐘應較不易受到雜散電磁場和溫度波動的干擾。研究人員預期這將轉化為更高的穩定性，並最終比當今最好的光學鐘更準確——後者否則在宇宙的年齡中會損失不到一秒。

這兩項結果幾乎同時出現，且技術路線不同，這本身就說明了一些問題。相互競爭的團隊匯聚於同一個里程碑，表明艱難的工程問題——找到正確的雷射波長、將其鎖定到躍遷、並保持整個系統穩定運行——現在正在被解決，而不僅僅是理論化。中國和歐洲團隊各自展示了閉環，意味著鐘可以持續自我校正，而不是依賴間歇性測量。

為什麼這一切在計量實驗室之外很重要？更好的鐘能提升導航衛星、電信網路以及金融系統所依賴的時間戳。它們也支撐著基礎物理的檢驗：一個對核力敏感的鐘可以探測自然常數是否真的恆定，並尋找普通原子鐘無法看到的細微效應。一些研究人員還提出核躍遷作為通往未來幾代技術更精確頻率標準的途徑。

這項工作距離商業儀器還很遙遠。核鐘仍然是脆弱的、需要大量雷射的實驗室機器，將它們變成堅固的設備需要數年時間。但前進的方向是明確的。量子精密測量的全球競賽——這個領域包括原子鐘、重力感測器和量子磁力計——正在升溫，而釷的結果將一個奇異的想法帶入了可運作硬體的領域。

對中國科學界而言，清華的結果標誌著國內量子研究已走了多遠。中國的實驗室已成為精密測量前沿的定期貢獻者，與歐洲和北美歷史悠久的團隊並駕齊驅。幾乎同時發表也指向一個現實：即使競爭加劇，該領域的進展仍依賴於共享知識、跨境合作和開放發表。

目前，這項成就最好理解為一個具有長遠影響的原理驗證。一個在原子核內部計時的鐘不再是思想實驗。未來十年將決定它能變得多精確，以及哪些應用——從大地測量到基礎物理——將首先受益於來自原子核心的滴答聲。