想像一個時鐘如此穩定地滴答作響，即使運行了 10 億年，它也不會損失一秒鐘。新研究顯示，科學家現在比以往任何時候都更接近實現計時精度的水平。

這種裝置將大大超越原子鐘的能力，原子鐘透過原子電子中受控的能量跳躍來定義一秒鐘的跨度，目前是測量時間精度的頂峰。在原子鐘中，激發原子的訊號以每秒數十億次的頻率振盪。

研究人員最近開發了一種技術，可以透過觸發和測量更棘手的目標（原子核）的振盪來提高精度。對於這個核鐘，科學家使用紫外線激發嵌入固體晶體中的釷229原子中的核粒子。然後，他們透過使用一種稱為光學頻率梳的工具對紫外線訊號中的波進行計數，測量了影響原子核的能量脈衝的頻率（相當於常規時脈中的鐘擺）。

在原子核中引起能量跳躍需要比原子鐘所需頻率高得多的訊號。隨著每秒更多的波週期，這種方法有望提供更準確的時間測量。

雖然他們的核鐘仍在進行中，但一旦意識到它不僅可以改變計時，還可以改變物理學研究，甚至影響科學家研究宇宙結構的方式。根據 9 月 4 日發表在《自然》雜誌上的研究，該原型機還沒有原子鐘那麼準確，但未來的版本預計將更加精確和穩定。

既然研究人員已經證明可以產生和測量這些訊號，「我們可以採取很多措施來進一步提高準確性，」該研究的合著者、Jun Ye 博士實驗室的研究生 Chuankun 張說。德分校和國家標準與技術研究所資助的聯合研究中心。

例如，張告訴美國有線電視新聞網，調整可能包括調整雷射對原子核進行探測的對準和頻率。

「這項工作真正標誌著核鐘的黎明，」未參與這項研究的德州農工大學傑出物理學教授奧爾加·科恰洛夫斯卡婭博士說。

2023 年，Kocharovskaya 和其他研究人員測試了鈧 45 原子核作為核鐘的可能候選者。 Kocharovskaya 在一封電子郵件中告訴 CNN，當時，這些原子產生了原子核中最強大的能量躍遷和可測量的脈衝，但釷 229 的新結果產生了更強的信號並且更穩定。

「更廣泛的意義在於這篇論文為核鐘的現實提供了信心，」她說。 “毫無疑問，這樣的時鐘是可行的，並且很快就會建成。”

一次又一次

在原子鐘中，原子的電子受到特定頻率的電磁輻射的影響。能量爆發激發電子，將它們推入原子周圍更高的軌道。據美國宇航局稱，觸發電子在狀態之間轉變的振盪標誌著時間的流逝。

原子鐘的可靠性遠高於透過石英晶體振動測量秒數的日常時鐘，後者很容易失去同步。幾十年來，原子鐘一直用於 GPS 技術、太空探索和保持國際時間。

然而，原子鐘也容易受到同步喪失的影響。張說，電磁幹擾會擾亂激發的電子並影響計時的精確度。

另一方面，原子核中的粒子比電子更難攪動。質子和中子被強核力緊密地結合在一起，核力是所有基本力中最強大的。研究人員報告說，可以誘導核躍遷的波長以更高的頻率振盪，從而實現更精確的時間測量。

在這項研究之前，核鐘的發展已經取得了幾項重要突破。第一個發現是在 1976 年，發現釷核具有“獨特的低能量”，並且可以通過使用真空紫外線（VUV）雷射將其推入激發態。根據這項研究，到 2003 年，科學家提出，由於釷激發原子核所需的能量比大多數其他類型的原子少，因此同位素釷 229 將成為核鐘的良好候選者。

2023年，科學家首創了將釷229嵌入晶體的方法；這種固態系統抑制了核衰變產生的訊號，使所需訊號更容易追蹤。今年早些時候，其他研究人員測量了激發釷 229 原子核所需的真空紫外光的波長。

「我們的工作建立在這一基礎上，」張說。 “利用我們的頻率梳光源和這種晶體，我們能夠激發核躍遷和各種躍遷能量。”張補充說，他們的結果比以前的測量精確約一百萬倍。

「這篇論文是真正的傑作，」加州大學柏克萊分校副教授兼物理學系主任西蒙·科爾科維茨博士說。

「數據的品質以及他們在這份新手稿中取得顯著成果的速度確實令人驚嘆，」未參與這項研究的科爾科維茨說。 “它代表了核鐘發展的重要一步，物理學家幾十年來一直在努力實現這一目標。”

徹底改變物理學

原子鐘的準確性和穩定性已經為科學家提供了研究地震、重力場和時空的重要工具。科恰洛夫斯卡婭說，這些領域可能會受到核鐘的「重大推動」。她說，核鐘不僅會更精確，而且更簡單、更便攜，因為與原子鐘不同，它們不需要高真空條件、極端冷卻以及強大的磁電幹擾屏蔽。

張說，透過將核鐘與原子鐘一起使用，可以徹底改變物理學研究本身。張說，隨著時間的推移，監測和比較兩種時鐘的頻率比可以幫助科學家判斷基本物理常數是否真的像看起來那樣恆定，或者它們是否以以前太小而無法測量的水平變化。

他補充說，這種配對時鐘技術可能會改變暗物質研究的遊戲規則，而暗物質是構成宇宙 80% 的神秘物質，但從未被直接測量過。

一些科學家提出，暗物質與電子、夸克和膠子等粒子相互作用，但其數量目前無法被檢測到。

「我們想看看暗物質是否能夠以與原子中電子軌道略有不同的方式與原子核相互作用，」張說。 “如果核鐘和原子鐘的躍遷頻率比隨著時間的推移而變化，這將表明新物理學的出現。”

科爾科維茨說，儘管在核鐘超越原子鐘的性能或取代原子鐘之前還有很多進展，但這些發現表明這樣的時刻並不遙遠。

「隨著更好的紫外線雷射光源的開發，以及核鐘的一些奧秘和技巧的解開，我預計最終我們目前在實驗室中進行的一些實驗將測試相對論並用原子尋找新的物理學。時鐘將改為用核鐘來執行，」科爾科維茨說。

核鐘的下一步是什麼？在這一點上，只有時間才能證明一切。

明迪‧韋斯伯格 (Mindy Weisberger) 是一位科普作家和媒體製作人，其作品曾發表在《Live Science》、《科學美國人》和《How It Works》雜誌上。