摆脱原子钟的束缚：核钟即将问世

原子钟作为全球最精确的计时工具，已经使用超过70年，但它们的统治地位似乎即将结束。根据美国国家标准与技术研究所（NIST）在9月4日的公告，一个国际研究团队距离完成第一个核钟原型的目标更近了。专家们认为，这种新设备的精确度提升不仅能改善GPS和互联网速度，增强数字安全，还可能帮助研究暗物质的本质和其他基础粒子物理理论。

乍一看，原子钟和核钟似乎没有太大区别，但关键在于它们的测量尺度。原子钟通过测量单个原子的振动来定义一秒钟。具体而言，它们利用高功率激光照射铯-133原子，使其电子在能级之间进行相位跃迁，精确达到每秒9,192,631,770次振动。全球的原子钟网络通过这种测量结果来同步系统，为互联网通信、地图制作、航天发射等提供极其精确的协调。自2014年以来，美国的主要标准——位于NIST的铯喷泉钟，能够以3亿年误差1秒的精度保持时间。

然而，核钟将这一概念应用于更精细的参数。顾名思义，这些设备关注的是单个原子的核振动，而不是更大的原子振动。激光照射到核（其尺寸比整体原子小100,000倍）时，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次数，从而提高了准确性。理论上，这使得时间的不确定性相比于3亿年显得不值一提。

NIST和JILA的物理学家Jun Ye在公告中表示：“想象一下，一块手表即使运行数十亿年也不会失去一秒。虽然我们还未达到这个水平，但这项研究让我们更接近这一精度。”

通常情况下，核需要相干的X射线来进行相似的相位跃迁，但现有技术无法提供所需的能量水平。为了解决这一难题，研究人员选择了铀-229，其核显示出比任何已知原子都小的跃迁，同时仅需低能量的紫外光进行激发。

当铀核悬浮在小晶体中时，研究人员以可预测的间隔照射紫外激光，并使用被称为光频梳的工具——一种“极其精确的光尺”——来计数质子和中子的振动“滴答”。结果显示，精度水平约是之前基于波长测量的100万倍。研究团队还将他们的紫外频率与另一种世界上最精确的基于锶的原子钟的光频率进行了比较，从而建立了核跃迁与原子钟之间的首个“直接频率链接”，这被NIST称为“开发核钟并将其与现有计时系统集成的重要一步”。

这些实验不仅打破了时间测量的障碍。新数组还使物理学家能够以突破性的细节观察铀核的形状，团队将这种观察比作从飞机内部看到每一根草叶的细致程度。

尽管核钟尚未完全完成，但研究人员首次展示了其基本原理的可行性。接下来，专家们可以开始设计实际设备，将这些工具付诸实践。完成后，核钟或许能支持更快、更可靠的互联网连接，更准确的地图系统，并促进物理学领域的重要发现，比如探测暗物质或验证自然常数的理论，而无需依赖大型粒子加速器。

核钟的问世将可能为科学研究和日常生活带来深远的影响，开启一段全新的计时时代。