核心材料全球僅40克！3000億年誤差一秒的核鍾製造有多難？
艾克哈德·佩克是一名“鐘錶匠”。不過，他擺弄的零件是大功率激光、電線，偶爾還有放射性原子。佩克是德國國家計量研究所所長，他與物理學同行們花了長達30年時間，試圖製造出宇宙中最精密的計時器。
自上世紀50年代至今，原子鐘已發展到非常精準的水平，誤差僅爲約310億年一秒。但是，一種新的時鐘即將取代它——核鍾在準確度和精密度上均有望超越原子鐘，理論上每3000億年纔會誤差一秒。
釷-229原子核激光可控躍遷的發現標誌着“核時鐘”即將到來，圖爲該過程藝術概念圖。（圖/《量子雜誌》，經由AI處理）
爲什麼我們需要如此高的計時精度？因爲，在很多宏大的宇宙探索科研項目中，核鍾可以幫助科學家探索一些宇宙中最深層的奧祕，例如暗物質的性質，以及一些難以捉摸的、塑造宇宙的基本力量。
原子鐘到核鍾，電子振盪到中子振盪
原子鐘的計時原理，其實是利用電子在原子核周圍一對軌道之間極爲穩定的振盪頻率。電子在軌道之間的躍遷，可以通過激光照射來激發——激光的頻率恰好與振盪的頻率相匹配，這種狀態被稱爲“共振”——每秒光振盪的次數，決定了時鐘的節奏。
就原子鐘而言，每秒的振盪次數極其穩定，因此可將其用作非常精確的計時器。目前最好的原子鐘使用的是鐿或鍶原子。超乎尋常的準確度使全球定位系統（GPS）成爲可能，使金融系統保持正常運轉，並使我們能夠測試基本物理定律的極限，例如愛因斯坦廣義相對論所預測的時間膨脹。
但原子鐘也有侷限性。電子位於原子的外層，因此容易受到電場和磁場的干擾，導致共振發生偏移。比利時天主教魯汶大學的物理學家桑德羅·克萊默解釋，這類時鐘之所以有侷限性，是因爲“在實驗室裏，你必須控制所有的環境參數，包括將磁場、電場的干擾降到最低，所以我們總要與這些干擾因素對抗”。
1996年，莫斯科國立大學物理學家尤金·特卡利亞發現一個更好的解決方法：與其使用原子邊緣的電子，不如使用在原子內部兩個能級之間移動的中子作爲時鐘的基礎。
這種核鍾比原子鐘更勝一籌：電子的軌道會受到雜散電場和磁場的影響，而中子則不受這些影響。中子只受到強核力的影響，而強核力的相互作用距離極短，還不到原子的寬度。因此，核鍾測量時間的精度可比原子鐘高出幾個數量級。
對於大多數原子核來說，驅動這種共振所需要的激光功率，強大到超出人類對激光裝置的設想。但放射性元素釷-229是個例外。美國加州大學洛杉磯分校的物理學家埃裏克·哈德森說，與現在通常使用的原子鐘相比，釷-229所需的能量仍然很高，“但已經低到能用人們可以設想的激光來驅動了”。
與中子共振，尋找振盪能量範圍
於是，物理學家開始努力探索中子振盪。最初也是最大的障礙是，沒有人知道所需的能量到底是多少。只有精確掌握這個數值，才能調整激光器以產生共振。這個數值無法通過計算得出，只能通過細緻的實驗來測定。
中子振盪難以產生的原因在於強核力。顧名思義，強核力是最強大的基本力，但只能在最短的距離內產生。這種力將基本粒子夸克束縛在一個“泡泡”中，從而產生質子和中子。但只要稍稍離開這個泡泡，強核力就會消失得無影無蹤。
時至今日，由於上述原理，要對整個原子核中的強核力進行實際計算，仍然非常困難。克萊默說，在粒子物理學的標準模型中，有一個相當不錯的強相互作用模型。然而，要描述整個原子核，還要考慮太多其他的潛在相互作用。
通常，在這種情況下，物理學家會依賴近似值。然而，即使進行了簡化，人類最大的超級計算機也沒有足夠的能力來計算釷-229等重原子的物理結構。這意味着，與原子核內部運作有關的數值，必須通過試錯來尋找。
由於可能性太多，找到正解無異於大海撈針。從2009年開始的幾年裏，美國加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的佈雷特·貝克等物理學家將釷-229的躍遷能量範圍不斷縮小。然後，哈德森提出了一種新方法——不再像其他人那樣，針對單個釷-229原子來測量躍遷，而是通過將數十億個原子嵌入晶體來增強信號。這種方法最終可以更精確地測量中子振盪所需的能量，並使製造核鍾變得可行。
到2023年，在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）工作的物理學家們進一步縮小了能隙的不確定性。在此基礎上，佩克和哈德森的研究小組分別從這個更窄區間的上限和下限開始探索。
核鍾“初生”，精密計量迎來曙光
清除了這個巨大障礙之後，製作可實用核鐘的唯一剩餘步驟就是，增強來自釷-229原子核的共振信號，目前這個信號仍然太弱。
要獲得可用於時鐘的信號，就需要將激光更精確地調整到正確的能量上。2024年6月，中國科學院外籍院士、美國科羅拉多州博爾德市實驗天體物理聯合研究所的葉軍透露，他的團隊已經制造出了這樣的一種激光器。
在這篇登上《自然》雜誌封面的論文中，葉軍團隊將他們的裝置等同於核鍾，但並非所有人都同意這一說法。佩克認爲，葉軍團隊確實取得了驚人的進展，但這並不完全符合時鐘的定義，“時鐘是一種顯示時間的裝置，應該能夠以控制良好的頻率運行，並且能夠在一段足夠長的時間內持續運行”。
葉軍（左）實驗室由研究生張傳坤（右）領導的一支團隊在《自然》雜誌上發表了核時鐘躍（圖/《世界科學》）
然而，葉軍團隊研發的裝置只運行了有限的幾個週期，顯然還不夠穩定到滿足這一定義。不過，它已經能夠證明，核鍾是探測基礎物理學問題的有用工具。在葉軍看來，“核物理精密計量迎來了曙光”。
在使用該裝置進行的首次實驗中，葉軍團隊將其與鍶原子鐘一起，測量釷-229原子內部的核電四極矩。這是衡量原子核內部電荷對稱程度的一種方法，原子核自然條件下就像一個拉伸的球體。研究團隊希望瞭解的是，當原子核躍遷到能量稍高的狀態時，四極矩是否會發生輕微變化。佩克實驗室在2018年進行了一次類似的實驗，沒有檢測到這種變化。但葉軍實驗室發現了1.8%的微小變化。這次測量結果還表明，與原子核形狀有關的釷-229核體積也一定在發生變化。他們發現，微小的形狀偏移可以用來確定核躍遷頻率對精細結構常數的敏感性。
“從來沒有人能在實驗中觀察到這一點。這真是向前邁出了非常大的一步。”克萊默表示。
探測暗物質，在研核鍾或有奇效
葉軍團隊的研究與物理學上一個重要問題有關，即宇宙的基本物理常數是否真的一成不變。
基本物理常數是一個觀測到的數值，比如各種力的強度，它們定義了宇宙的運行方式。任何一個基本常數的微小變化，都會影響從亞原子到宏觀宇宙的一切物理學。“想想大自然有多少東西是恆定不變的？萬物在某種程度上都是動態的。”哈德森說。
要回答這個問題，核鍾是最佳選項。研究人員可以研製一臺核鍾和一臺原子鐘，前者主要受強核力支配，後者受電磁力支配。研究人員可以從中找到它們計時方式的微妙變化——任何差異都可以追溯到極小的自然常數變化。
其他人則希望用這些時鐘來回答更多問題。比如暗物質問題。這是一種神祕的物質，被認爲佔宇宙中所有物質的80%以上。核鍾極有可能在追蹤暗物質方面有奇效——目前正在開發的核鍾可能會對超輕暗物質非常敏感。
物理學家已知的是，暗物質只與其他物質發生引力作用，因此很難探測到。但一些模型預測，超輕暗物質可以通過強核力來擾亂核鍾。如果物理學家能夠探測到這種現象，就能爲超輕暗物質的存在提供證據。
全球僅40克，預計運行2億臺核鍾
在科技領域，核鍾還有很多其他應用。原子鐘中的電子會相互排斥，而核鍾中的中子則不同，當原子緊密地排在一起時，中子的狀態不會受到影響。這意味着基於釷-229原子的核鍾可能比原子鐘穩定得多。
這使得核鍾將成爲下一代GPS衛星內置時鐘的理想候選者，因爲對位置進行極爲精確的測量，就需要核鐘的這些特性。而且，哈德森還指出，核鍾是便攜式的，且可以在任何溫度下運行，“在GPS衛星上，原子鐘遠沒有核鐘好”。
核鍾還可以用來重新定義時間。目前，自1967年以來，時間單位是根據銫原子的電子振盪速度來確定的。也許，將來可以根據中子振盪來定義秒。哈德森認爲，儘管標準的改變需要很長時間，但他相信基於釷的時鐘最終會成爲標準。
美中不足的是，釷-229極其稀缺。由於它本身存在放射性衰變，迄今沒有可靠的方法在自然界中找到釷-229。科學界現有的釷-229庫存，其實是上世紀90年代核武器計劃結束後留下的副產品，目前地球上只有40克高質量的釷-229。克萊默表示，歐洲核子研究中心可以生產出更多的釷-229，但也不是理想的量產場所。
但克萊默也表示，研究人員所需的釷-229量相當低。最近一次實驗只需要0.17微克。換句話說，如今所有的釷-229或許能運行大約2億臺核鍾——這個數量足夠研究人員開工了。
