想象一下，一个时钟滴答作响，非常稳定，即使在运行了10亿年之后，它也不会失去一秒钟。最新研究显示，科学家们比以往任何时候都更接近于实现这种计时精度。

　　这种装置将大大超过原子钟的能力，原子钟通过控制原子电子的能量跳跃来定义一秒的跨度，是目前测量时间精度的顶峰。在原子钟中，激发原子的信号以每秒数十亿次的频率振荡。

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　　研究人员最近开发了一种技术，可以通过触发和测量一个更棘手的目标:原子核的振荡来提高这种精度。对于这个核时钟，科学家们使用紫外线激发嵌入固体晶体中的钍-229原子中的核粒子。然后，他们测量了影响原子核的能量脉冲的频率——相当于一个普通时钟中的钟摆——通过使用一种叫做光学频率梳的工具来计算紫外线信号中的波。

　　引起原子核的能量跳跃需要比原子钟高得多的频率信号。随着每秒波周期的增加，这种方法有望提供更精确的时间测量。

　　虽然他们的核时钟仍在研究中，但一旦实现，它不仅可以改变计时，还可以改变物理学的研究，甚至影响科学家研究宇宙结构的方式。根据9月4日发表在《自然》(Nature)杂志上的一项研究，这个原型还没有原子钟那么精确，但未来的版本有望更加精确和稳定。

　　现在，研究人员已经证明，产生和测量这些信号是可能的，“我们可以推动很多事情来进一步提高精度，”该研究的合著者张传坤说，他是叶军博士在JILA实验室的研究生，JILA是一个由科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所资助的联合研究中心。

　　例如，张告诉CNN，调整可以包括调整对准核的激光的方向和频率。

　　“这项工作真正标志着核时钟的曙光，”德克萨斯农工大学(Texas A&M University)的杰出物理学教授奥尔加·科查罗夫斯卡娅(Olga Kocharovskaya)博士说，她没有参与这项研究。

　　2023年，Kocharovskaya和其他研究人员测试了钪-45原子的原子核，作为核时钟的可能候选者。当时，这些原子在原子核中产生了最强大的能量跃迁和可测量的脉冲，但钍-229的新结果产生了更强的信号，也更稳定，Kocharovskaya在一封电子邮件中告诉CNN。

　　“更广泛的意义在于，这篇论文为核时钟的现实提供了信心，”她说。“毫无疑问，这样一个时钟是可行的，很快就会建成。”

　　在原子钟中，原子的电子受到特定频率的电磁辐射。能量的爆发激发了电子，把它们推到原子周围更高的轨道上。根据美国宇航局的说法，触发电子在状态之间转换的振荡标志着时间的流逝。

　　原子钟的可靠性远远高于日常时钟，后者是通过石英晶体的振动来测量秒数，而石英晶体的振动很容易失去同步。几十年来，原子钟一直被用于GPS技术、太空探索和国际时间的测定。

　　然而，原子钟也容易受到同步丢失的影响。张说，电磁干扰会破坏激发的电子，影响计时的精度。

　　另一方面，原子核中的粒子比电子更难被搅动。质子和中子被强大的核力紧密地结合在一起——核力是所有基本力中最强大的。研究人员报告说，可以诱导核跃迁的波长在更高的频率上振荡，从而实现更精确的时间测量。

　　在这项研究之前，核时钟的发展有几个重要的突破。第一次是在1976年，发现钍核是“独特的低能”，可以通过使用真空紫外线(VUV)激光将其推入激发态。根据这项研究，到2003年，科学家们提出，由于钍比大多数其他类型的原子需要更少的能量来激发原子核，同位素钍-229将是核时钟的一个很好的候选者。

　　2023年，科学家们开创了一种将钍-229嵌入晶体的方法;这种固态系统抑制了来自核衰变的信号，使所需的信号更容易跟踪。今年早些时候，其他研究人员测量了激发钍-229原子核所需的紫外波长。

　　“我们的工作建立在此基础之上，”张说。“通过我们的频率梳光源和这种晶体，我们能够激发核跃迁和各种跃迁能量。”他们的结果比以前的测量结果精确100万倍，张补充说。

　　“这篇论文是真正的杰作，”加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的副教授兼物理学主席西蒙·科尔科维茨(Shimon Kolkowitz)博士说。

　　没有参与这项研究的科尔科维茨说:“数据的质量和他们在这份新手稿中取得显著成果的速度真的很惊人。”“这代表着物理学家几十年来一直在努力的核时钟的发展向前迈出了一大步。”

　　原子钟的准确性和稳定性已经为科学家们研究地震、引力场和时空提供了重要的工具。Kocharovskaya说，这些领域可能会经历核时钟的“重大推动”。她说，核时钟不仅更精确，而且更简单、更便携，因为与原子钟不同，它们不需要高真空条件、极端冷却和强大的屏蔽磁场和电干扰的能力。

　　张说，如果在原子钟的同时使用核钟，物理研究本身可能会发生革命性的变化。张说，监测和比较两种时钟随时间的频率比可以帮助科学家们判断基本物理常数是否真的像它们看起来的那样恒定，或者它们是否在以前太小而无法测量的水平上移动。

　　他补充说，这种配对时钟技术可能会改变暗物质研究的游戏规则，暗物质是一种神秘的物质，占宇宙的80%，但从未被直接测量过。

　　一些科学家提出，暗物质与电子、夸克和胶子等粒子相互作用，但其数量目前尚无法探测到。

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　　张说:“我们想看看暗物质是否能以一种与原子中的电子轨道略有不同的方式与原子核相互作用。”“如果核钟和原子钟的跃迁频率比随时间而变化，这将是新物理学的一个迹象。”

　　科尔科维茨说，尽管在核钟超越原子钟的性能或取代原子钟之前还有很多进展要做，但这些发现暗示，这样的时刻已经不远了。

　　科尔科维茨说:“随着更好的紫外激光源的开发，以及核时钟的一些奥秘和技巧得到解决，我希望最终一些我们目前在实验室里用原子钟测试相对论和寻找新物理学的实验将取代核时钟来进行。”

　　核时钟的下一步是什么?在这一点上，只有时间才能证明。

　　Mindy Weisberger是一位科学作家和媒体制作人，她的作品曾出现在《生活科学》、《科学美国人》和《How It Works》杂志上。