圖源：Pixabay
導讀：
瞿立建 | 撰文
陳曉雪 | 責編
人類一直在透過測量認識世界、探索世界、改造世界，並推進測量的極限。時間測量就是一個典型的例子，現在最精確的原子鐘每400億年才有1秒的偏差，而宇宙的壽命也才138億年。
物理學家依然不滿足於此，正在追求更精確的鐘——原子核鍾。就在2024年9月，美國國家標準與技術研究所(NIST)-科羅拉多大學博爾德分校實驗天體物理聯合研究所（JILA）的葉軍教授領導的團隊成功測量了核鍾躍遷的精密光譜，為原子核鍾奠定了基礎，儘管在精度上尚未達到最好的原子鐘的水平。原理上講，原子核鍾精度能達到3000億年偏差1秒的程度(Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 120802) 。
計時有必要如此精確嗎？對於日常看時間，確實沒必要，但對於一些更令人興奮的事情就有必要了，如搜尋暗物質、探測強相互作用力等。科學歷史反覆證明過，測量精度提高一步，新的現象就會顯現出來，我們對於世界的認知也可能會因此發生改變。
計時的原理很簡單，找到一種週期性現象，可以把一個或若干個週期作為計量時間的單位。自古以來，人類在生產生活實踐中，透過對天體運動和晝夜更替的觀察來計時。
擺鐘的出現是計時工具史上一次偉大的變革，它不僅能夠將計時精確到秒，而且展現了一種全新的計時原理，即利用穩定的振盪源來計時。
英國鐘錶匠約翰·哈里森（John Harrison；1693年3月24日—1776年3月24日）潛心製作了幾臺高精度機械鐘，讓茫茫大海上航行的船舶可以精確定位自己當下所處的精度，使安全的長距離海上航行成為可能。這裡有一段傳奇故事，參閱《經度：一個孤獨的天才解決所處時代最大難題的真實故事》一書。
要提高計時精度，需要找到更高更穩定的振動頻率。
石英晶體加上電場後，會產生機械振動，頻率可達幾百兆赫茲，這種性質被用於石英鐘錶，精度讓機械鐘錶望塵莫及，使世界鐘錶產業結構在20世紀70至80年代發生一場鉅變，史稱石英危機，也稱石英革命。
石英晶體振盪也有缺點，其頻率受外界環境影響很大，穩定度比較差。
原子內的電子在兩個能級之間躍遷，要吸收或輻射特定頻率的電磁波，其頻率極端穩定，非常適合用於精確計時。原子鐘應運而生。
1967年，秒被定義為銫133原子基態的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9,192,631,770個週期的持續時間。
如果沒有原子鐘，GPS隨時能把我們導航到溝裡。原子鐘讓金融市場驚心動魄的即時交易更加刺激。原子鐘讓時間膨脹等匪夷所思的物理現象成為直觀的現實體驗，讓神秘的黑洞現出“原形”。
天文學家歷時5年拍出黑洞照片，完成這一壯舉需要用到原子鐘。圖源：wikicommons
隨著民航飛機飛行的原子鐘與靜止的原子鐘顯示的時間不同。圖源：libretexts
不過，原子鐘依然不完美，因為原子中的電子能級會受到外界電場和磁場的干擾，且完全遮蔽電磁場是不可能做到的。
就像原子中的電子一樣，原子核中的質子和中子也佔據著離散的能級，因此原子核中也有類似的躍遷。原子核極端小，是核外電子分佈範圍的十萬分之一，幾乎不受外界環境的影響。因此，原子核中的躍遷有望帶來一種比原子鐘更精確的時鐘——核鍾。這個想法是俄羅斯物理學家Eugene Tkalya在1996年最早提出的（Physica Scripta. 1996，53 (3): 296）。
核躍遷能量更高，意味著產生的輻射的頻率更高，這意味著每秒有更多的波週期，計時精度更高，但這也帶來一個問題，沒有這樣的雷射能激發核躍遷。看來，限制原子核鐘的是能否製造出更強大的雷射器。
不過，幸運的是，早在1976年，科學家就發現釷-229具有一種怪異的低能核躍遷（Nucl. Phys. A 1976，259, 29）能量的數量級只有幾個電子伏，相比而言，通常的核躍遷能量在百萬電子伏量級。
現在依然有一個難題，物理學家只知道釷-229的原子核有一個低能激發態能級，但不知道這個低能激發態的能量具體是多少。
能不能算出來呢？畢竟原子核物理已經相當成熟了。
原子核的理論確實很成熟，但用於計算整個原子核，所需計算量還是太大了，尤其是對於釷-229這樣的重原子核，還沒有超級計算機能完成這樣的計算。
科學家們想到透過實驗來確定。從2009年開始，物理學家們一直在取得緩慢的進步。直到物理學家想到一個新穎的方法，將釷-229摻雜到氟化鈣晶體裡，這樣可以直接測量數十億釷-229發出的訊號，而不是像以前那樣，測量單個釷-229原子。2023年，歐洲和美國科學家利用這種晶體，分別用兩種不同的方法確定出了釷-229原子核躍遷的能量，對應的輻射的頻率為2020.407太赫茲（論文正式發表於2024年：Phys. Rev. Lett. 2024, 132, 182501；Phys. Rev. Lett. 2024, 133, 013201），處於紫外線波段，更具體說是真空紫外線波段。小於200奈米的紫外線輻射會被空氣強烈的吸收，因此稱之為真空紫外線。
這個波段的雷射是可以做出來的。
用雷射激發釷-229原子核的低能躍遷。圖源：APS
製造原子核鍾在原理上已沒有障礙。
釷-229原子核低能躍遷輻射的頻率已經確定出來了，但精度對於做鍾依然不夠。
為了更準確地測出該頻率，歐洲科學家將摻雜釷-229的晶體樣品於2024年5月帶到了葉軍教授的實驗室，因為需要使用這裡的頻率梳來測量。
頻率梳是一種特殊的雷射系統，它能夠發出離散的、頻率等間距的雷射，把光按頻率由小到大排在一起，就像梳子一樣。葉軍實驗室有世界上最強大的頻率梳，頻率間距又小又穩定，涵蓋頻率寬，能做到真空紫外範圍，即核鍾所需要的光頻率（Nature, 2012, 482, 68）。
頻率梳示意圖。圖源：Physics World
頻率梳可以用作測量光頻率的尺，先確定一個已知光的頻率所對應的頻率梳“梳齒”，再找到未知光頻率所對應梳齒，數出來二者之間梳齒的數目，即可得出未知光頻率。
葉軍實驗室的研究生們開始用頻率梳精確確定激發釷-229原子核所需要的雷射頻率。經過日夜奮戰，在2024年5月22日夜大約11點半，研究生張傳坤看到了尋找已久的訊號，他把螢幕上顯示的尖峰拍了下來，發到了本課題的4個研究生的WhatsApp 群裡。另三位同學看到資訊，睡意全無，各自起床打車回到實驗室。他們檢查實驗，排除各種可能的誤差，最後確認看到的訊號是真的。5月23日凌晨3點42分，4位夥伴拍了一張自拍照，以茲紀念。（此故事見Quantum Magazine和MIT科技評論的報道）
核鍾4人組自拍，從右向左第二人為中國留學生張傳坤。來源：Quanta Magazine
他們從頻率梳上找到該頻率的位置，以及當今精度最高的原子鐘之一——鍶-87 原子鐘所對應的頻率，確定出了釷-229原子核躍遷的頻率，精度比前部分所述兩個測量結果高百萬倍。
頻率梳激發釷-229原子核，精準確定激發頻率。圖源：Nature 2024, 633, 43
他們的測量結果於2024年9月發表於Nature（Nature 2024, 633, 63）。這一工作將核躍遷和原子鐘頻率透過頻率梳聯絡在一起，即原則上可以給出核鐘的兩次“滴答”之間的時間間隔，這其實驗證了研製核鐘的可行性。儘管這項工作並沒有真正測量時間，但核鐘的核心部件在這個實驗中已經初步具備。
要製備出真正的超精確的核鍾，有一個突出的挑戰亟需解決：如何降低釷-229的用量。
地球上的釷-229非常稀有，全球可以拿來用的純釷-229只有40克，供實驗室用的釷-229也只有幾毫克而已。另外，釷-229是從鈾礦中提煉而來的，成本很高昂，其本身也是放射性元素，從生產到實驗，都要付出安全防護成本。
葉軍團隊與合作者在2024年12月發表的一項工作解決了這個難題。
前文所述釷-229核鍾研究是將釷-229摻雜到晶體中，因而用量比較大。葉軍團隊與合作者利用成熟的物理氣相沉積（PVD）工藝，得到了含釷-229的薄膜，厚度約 30至100 奈米，放射性降低了數千倍，與香蕉的放射性相當。
釷-229薄膜示意圖。圖源：JILA
含釷-229薄膜的效能如何？
目前來看，可行，但效果差於晶體。實驗發現，薄膜中依然可以激發釷-229的低能核躍遷，但核躍遷的壽命降低了4倍多，參與核躍遷的原子核的比例太低。還需要更多研究，改善薄膜效能，最終實現薄膜核鍾。
薄膜核鍾中釷-229用量不到1微克，目前全球釷-229庫存可製造出幾億核鍾，批次化生產原料難題不再不可逾越。
核鍾研製成功之後，將會在很多方面改變世界。
金融短線操作會更短更刺激。GPS可能會升級為UPS，即宇宙定位系統，為星際旅行導航。
核鍾最直接的應用還是在基礎科學方面。
核鍾可能會重新定義秒。另外，核鍾會立即用於驗證廣義相對論。根據廣義相對論，距離地面越高，鍾記錄的時間流逝越快。這可用核鍾進行驗證。核鍾還將有望提供有關地形、內部和引力場的極其精確的資訊，從而使“相對論大地測量學”（relativistic geodesy）從學術探討走向落地實踐。
核鍾還可用於檢驗一些物理常數——如精細結構常數、電子質量等——是否真的是常數。這樣的實驗結果會改寫基本的物理定律。
部分超越標準模型的物理理論預言，暗物質所到之處，精細結構常數會發生變化。物理學家做過多次努力（如Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 253001），用原子鐘檢驗這個預言，沒有得到預想的結果，採用靈敏度更高的核鍾，或許會得到不一樣的結果，進而窺探到暗物質的性質和影蹤。
高精度鍾可用於探測暗物質。圖源：NIST
總之，在核鍾時代，我們不僅將有可能更精確地知道現在是什麼時間，還將更準確地知道我們生活在什麼樣的宇宙之中。
參考資料：
葉軍團隊在核鍾方面的兩項進展：
1.Nature 633, 63–70 (2024)：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6
2.Nature 636, 603–608 (2024)：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08256-5
相關報道：
1.Nature 633, 43-45 (2024)：https://doi.org/10.1038/d41586-024-02662-5
2.https://doi.org/10.1038/d41586-024-04125-3
3.量子雜誌：https://www.quantamagazine.org/the-first-nuclear-clock-will-test-if-fundamental-constants-change-20240904/
4.MIT科技評論：https://www.mittrchina.com/news/detail/13888
5.NIST官網：https://www.nist.gov/news-events/news/2024/09/major-leap-nuclear-clock-paves-way-ultraprecise-timekeeping
6.https://www.eurekalert.org/advancedSearch/944665
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