经过数十年的努力，物理学家终于突破原子屏障，成功建造了世界上第一台核钟。
要测量时间，你需要一种恒定的节奏。自古以来，太阳和月亮的规律运动为地球上所有生命设定了节拍。但在数千年的时间里，人类一直在寻找更加可控和精确的方法，例如钟摆的摆动或水流和香燃烧的速率。如今，大多数电子钟表通过测量石英晶体的稳定振动来计时。
然而即使是最好的节拍器也会漂移；无论何种形式，随着时间推移，混沌最终会破坏任何计时系统的秩序。例如一个月内温度和运动的变化就足以让石英手表误差15秒。为了寻求真正恒定的“滴答声”，科学家们将目光投向了原子世界，在那里，原子的微观尺度和不变的物理性质使得时间可以被分割成更小、更稳定的单位。由此产生的原子钟今天设定的国际标准时间极其稳定，每一亿年才会有大约一秒的误差。
几十年来，物理学家一直试图进一步深入原子内部，穿过外层电子壳层，进入更小、更紧密缠绕的原子核，以摆脱影响钟表精度的噪声。就在上周，他们终于取得了成功。一支国际科学家团队在美国科罗拉多州博尔德市创建了世界上第一台核钟，并在《自然》杂志上发表了相关论文。虽然这个特定的核钟目前还未能超越最精准的原子钟，但该技术有望打破精密计时记录，并大幅改善GPS和深空导航系统。
在原子核内进行如此精细的测量也可能为物理学家打开探索广阔未知领域的大门。德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家José R. Crespo López-Urrutia（未参与这项新研究，但合著了在同一期《自然》杂志上发表的伴生文章）表示，这“将真正开启观察自然界基本定律的新窗口”。
从根本上讲，原子钟和核钟的工作原理相同。当原子被具有恰到好处能量的光子击中时，它们会变得“激发”。也就是说，具有特定能量水平或频率的光波。具体哪种频率范围有效取决于目标原子的类型，但对于特定元素的所有原子而言，这一范围保持不变。“铯原子或钠原子在宇宙任何地方都是相同的，至少我们是这么认为的，”Crespo López-Urrutia 说道。
早在20世纪40年代，科学家就意识到这种宇宙常量可以用来测量时间，而不会像其他物理钟那样受到混沌噪声的影响。光子以波的形式传播，其频率只是衡量每秒通过给定点的波周期数。因此你可以通过计数激光束中已知固定频率的波来确定时间的流逝。科学家发现，用超精确的激光激发原子，并以光束的确切频率作为恒定的时间测量标准，是实现这一目标的最佳方式。
自从1949年第一台原子钟问世以来，这一过程变得更加复杂。世界上最精确和准确的原子钟——位于博尔德JILA实验室的超冷锶钟——就像一个可以计算到十亿分之一纳秒的秒表，即小数点后18位。它每40亿年才会慢一秒。
但物理学家一直梦想着更好的东西。如果他们能激发的不是整个原子而是原子内部的原子核呢？原子核包含原子质量的99.99%，但它们极其微小；如果把原子比作美式足球场，那么它的原子核只有弹珠大小。激发如此微小和沉重的东西需要数千乃至数百万电子伏特的能量，通常是精确调节到极具体频率的光子。这一难题正是核钟可以减少漂移、“滴答”次数超过原子钟的原因。但遗憾的是，这一任务的要求超过了任何桌面激光器的能力。
有一个例外：稀有的放射性同位素钍-229。这种同位素只需要约八电子伏特的能量就能跃迁到激发态，物理学家至今无法解释原因。“它的跃迁能量如此之低，以至于核物理学家都不知道该如何处理它，”论文共同作者、维也纳工业大学的物理学家Thorsten Schumm 说。
这一例外为核钟的建造提供了绝佳机会。尽管钍-229的跃迁能量在技术上是可以达到的，但他们首先需要找到它。只有极其狭窄的能量范围才能激发核，缩小这一范围需要建造全新的激光系统，并由全球各地的物理学家花费多年时间进行巧妙的尝试和错误修正。
“这是个‘大海捞针’的问题——虽然找一根针要比我们做的事情容易得多，”Schumm 说。
研究人员还需要找到一种方法来固定住钍-229原子。虽然许多原子钟使用电磁场在真空中悬浮单个原子，但建造核钟的物理学家知道，如果能一次性击中多个原子核，成功的几率会更高。Schumm 的团队将成千上万个钍-229原子核嵌入透明晶体中，使更多的原子核能够同时被激光击中，增加了部分原子核跃迁到激发态的可能性。
在过去一年里，所有必要的发现终于开始汇聚。今年五月，Schumm 的团队将钍晶体运往运行超冷锶钟的博尔德实验室。那里的研究人员开发了一种先进的激光系统，可以将剩余可能频率范围缩小到精确答案。这一激光系统还可以同步核“滴答”与原子钟，使原子钟能够与核时间保持一致。
博尔德团队用特殊激光系统照射晶体，扫描不同频率。从激发态钍发出的微弱特征光将是成功核跃迁的唯一标志。然而在几周内，研究人员什么也没有看到。
“接近午夜时分，我们看到了信号的第一个迹象，”科罗拉多大学博尔德分校激光物理学博士生Chuankun Zhang 说。“实验之后，大家都睡不着觉。”相反，团队在无光的凌晨时分验证了他们的结果。大约凌晨四点，结论已经清晰：Zhang 及其团队成功激发了钍-229原子核，并将其频率测量值与JILA的原子时钟同步，创造了世界上第一台核钟。目前它在精度上还未达到世界纪录，因为它只能读出12位频率测量值，而锶钟可以读出18位。
“首次实现并不在于‘他们只得到了12位’，而在于‘他们让它运行起来了’，”Crespo López-Urrutia 说。虽然技术挑战仍然存在，主要涉及激光系统，“人们有信心在未来几年内克服这些问题，”然后核钟将在精确度和准确性方面超越原子钟。他指出，达到20位甚至21位的测量可能成为现实。
“这是一项美丽的工作，”加州大学洛杉矶分校的物理学家Eric Hudson 说，他的团队也在努力缩小跃迁频率并生长钍晶体。Hudson 对团队创建的基于晶体的“固态”钟感到特别兴奋，这种钟将原子核固定在原地而不是用电磁场悬浮。“这可能会导致一个更便携、更坚固的钟，可以从实验室走向现实世界。”
这些便携式核钟可能会出现在GPS卫星或航天器导航系统上。GPS卫星通过测量信号传输时间的微小差异来三角定位设备位置。目前该技术对于非军事用途的精度约为几米。Schumm 说，这对于自动驾驶汽车来说太不准确了，或者对于帮助视力障碍者导航的技术来说也是如此。“急需将定位精度提高到厘米级或毫米级，因为这样就会有质的飞跃。”
在更基本的层面上，核钟提供了一种全新方式来研究我们周围看不见的力量和粒子。原子钟测量的频率源于电子的碰撞，这意味着它们受电磁力的支配。但核钟的“滴答声”来自于一个相对未知的领域，即神秘地将原子核结合在一起的强相互作用力。物理学家通常假设这两种力随时间保持不变，但至今无法严格测试这一假设是否成立，Zhang 说。然而，通过比较原子钟和核钟的输出，原则上可以追踪这两种力是否真的不变。
此外，这种核探针可能揭示一些关于暗物质的信息，尽管暗物质占宇宙物质的85%，却依然难以捉摸。“我们对暗物质的难题在于它不与我们所知的物质互动，所以我们还没有成功探测器，”Schumm 说。但如果暗物质与原子核的互动方式不同于整个原子，那么这些差异可能会显现出来。
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