要測量時間，你需要一個恆定的節奏。在漫長的歲月中，太陽和月亮的規律運動為地球上的一切生命設定了節奏。但經過數千年的發展，人類已經尋求並找到了更可控和精確的方法，例如擺錘的擺動或水流和焚香燃燒的速度。如今，大多數電子鐘錶都測量石英晶體的穩定振動。
但即使是最好的起搏器也會漂移；以某種形式，逐漸累積的混亂最終會破壞任何計時系統的秩序。例如，一個月的溫度和運動變化就足以使石英錶偏離15秒。為了尋求真正恆定的“滴答”，科學家們將目光投向了原子世界，在那裡，微小的尺度和原子不變的物理特性使得時間可以被切割成更小、更穩定的增量。由此產生的原子鐘設定了當今的官方國際時間，其精確度令人震驚，每1億年才損失約一秒。
幾十年來，物理學家們一直試圖透過進一步放大，超越原子外層電子殼層，進入更小、纏繞更緊密的原子核中心，來擺脫汙染時鐘的噪聲。現在他們終於成功了。國際科學家團隊在科羅拉多州博爾德市建立了世界首個核時鐘，相關細節發表在《自然》雜誌上。儘管這款特殊的計時器目前還沒有其最佳原子夥伴那樣精確，但這項技術可能很快就會打破精確計時記錄，並大大改善GPS和深空導航。
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在原子核內進行如此精確的測量，或許能讓物理學家們進入廣闊的、未被探索的物理世界領域。“這將真正開啟一扇新的視窗，讓我們得以觀察自然界的基本規律，”德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學家何塞·R·克雷斯波·洛佩斯-烏魯蒂亞說道。他沒有參與這項新研究，但與人合著了一篇評論文章，發表在同一期《自然》雜誌上。
原子鐘和核時鐘的核心工作原理相同。當原子被能量恰到好處的光子擊中時，就會變得“激發”——也就是說，特定能量水平或頻率的光波。哪個微小的頻率範圍會奏效取決於目標原子的型別，但對於特定元素的原子來說，這個範圍保持不變。“一個銫原子或一個鈉原子在宇宙中任何地方都是相同的，或者至少我們是這樣認為的，”克雷斯波·洛佩斯-烏魯蒂亞說。
在20世紀40年代，科學家們意識到，這種宇宙常數可以用來測量時間，而不會產生與其他物理時鐘相關的混沌噪聲。光子以波的形式傳播，其頻率只是衡量每秒透過給定點的波週期數。因此，你可以透過計算具有已知固定頻率的雷射束的波來確定時間的流逝。科學家們發現的最佳方法是用超精密雷射照射原子，雷射的精確頻率作為時間的恆定測量值，從而激發原子。
自從1949年第一個原子鐘建成以來，這個過程變得越來越複雜。世界上最精確、最準確的原子鐘，即博爾德市JILA的超冷鍶原子鐘，就像一個可以計算十億分之一納秒的秒錶，或者小數點後18位的秒錶。它每400億年才損失一秒。
但物理學家們長期以來夢想著更完美的東西。如果他們可以激發的不是整個原子，而是深藏在內部的原子核呢？原子核包含原子99.99%的質量，但卻非常微小；如果原子像一個美式足球場那麼大，那麼它的原子核就只有彈珠那麼大。激發如此微小而沉重的東西需要數千或數百萬電子伏特的能量，通常以光子的形式，這些光子被精確調諧到極其特定的頻率。正是這種難度使得核時鐘比原子鐘的漂移更小，每秒“滴答”次數更多。不幸的是，沒有臺式雷射器能夠產生足夠的能量來激發絕大多數元素中的原子核。
然而，有一個例外：稀有的放射性同位素釷-229。這種同位素僅需約8電子伏特的能量即可躍遷到激發態，物理學家們不知道為什麼。“它的[躍遷能量]非常低，以至於核物理學家實際上不知道該如何處理它，”維也納技術大學的物理學家、共同作者托爾斯滕·舒姆說。
這個例外為核時鐘的建造者提供了一個黃金機會。但是，儘管釷-229的躍遷能量在技術上是可以達到的，但他們必須首先找到它。只有極小的能量範圍才能激發原子核，縮小這個範圍需要構建全新的雷射系統，以及全球物理學家多年來的巧妙試驗和錯誤。
“這就是‘大海撈針’的問題——儘管就數量級而言，大海撈針比我們所做的要容易得多，”舒姆說。
研究人員還必須找到一種方法來保持釷-229原子的靜止。雖然許多原子鐘使用電磁場將單個原子懸浮在真空中，但建造核時鐘的物理學家們知道，如果他們能一次擊中多個原子核，成功的機會會更大。舒姆的團隊將數萬個釷-229原子核嵌入透明晶體中，使得更多的原子核可以一次被雷射擊中，並增加了某些原子核躍遷到激發態的可能性。
就在過去一年裡，所有這些必要的發現終於開始匯聚。今年5月，舒姆的團隊將釷晶體運送到物理學家Jun Ye在博爾德的實驗室，該實驗室執行著超冷鍶原子鐘。那裡的研究人員開發了一種先進的雷射系統，可以將剩餘可能的頻率範圍縮小到一個精確的答案。這種雷射系統還可以將核“滴答”與原子鐘同步，使原子鐘與核時間保持同步。
博爾德團隊用其特殊的雷射系統照射晶體，掃描不同的頻率。來自受激釷的微弱、明顯的紫外線輝光將是核躍遷成功的唯一跡象。然而，幾周以來，研究人員一無所獲。
“當我們看到訊號的第一個跡象時，已經接近午夜了，”在科羅拉多大學博爾德分校Ye實驗室研究雷射物理學的博士生張傳坤說。“實驗結束後，沒有人能睡得著。”相反，團隊花了那些沒有陽光的凌晨時間來驗證他們的結果。大約凌晨4點左右，結論已經非常明確：張和他的團隊成功地激發了釷-229原子核，並將他們的頻率測量與JILA的原子計時器同步，創造了世界首個核時鐘。目前，它在精度方面還達不到世界紀錄，因為它只讀出頻率測量的12位數字，而鍶原子鐘為18位。
“這首次實現並不是關於‘哦，他們只得到了12位數字。’第一次實現是‘哦，他們讓這東西執行起來了，’”克雷斯波·洛佩斯-烏魯蒂亞說。雖然技術挑戰仍然存在，主要涉及雷射系統，但“人們相信這些挑戰可以在幾年內被克服”，屆時核時鐘將在精確度和準確度方面超越原子鐘。他說，達到20甚至21位數字的測量是可能的。
“這是一項漂亮的工作，”加州大學洛杉磯分校的物理學家埃裡克·哈德遜說，他的團隊也在努力縮小躍遷頻率並生長釷晶體。哈德遜對該團隊建立的基於晶體的或“固態”時鐘最感興趣，該時鐘將原子核捕獲在原位，而不是用電磁場使其懸浮。“這可能會產生一種更便攜、更堅固的時鐘，可以走出實驗室，走向現實世界，”他說。
這種行動式核時鐘可以在GPS衛星或航天器導航系統中找到應用。GPS衛星透過測量訊號傳輸時間的微小差異來三角定位裝置的位置。這項技術目前對於非軍事應用來說，精度可達幾米。舒姆說，這對於自動駕駛汽車或可以幫助盲人或弱視人士導航的定位技術來說，精度太低了。“迫切需要將定位精度提高到釐米級或毫米級，因為這樣就會發生質的變化。”
在更基礎的層面上，核時鐘提供了一種全新的方式來研究我們周圍看不見的力量和粒子。原子鐘測量的頻率來自電子的碰撞，這意味著它們受制於人們熟知的電磁力。但核時鐘的滴答聲來自一個相對未知的領域——將原子核結合在一起的神秘強力領域。物理學家通常假設這兩種力在時間推移中保持不變，但他們還沒有能夠嚴格地測試這是否屬實，張說。然而，透過比較原子鐘和核時鐘的輸出，原則上，他們可以追蹤這兩種力是否真的不變。
這種核探針也可能揭示關於暗物質的資訊，儘管暗物質佔宇宙物質的85%，但仍然難以捉摸。“我們對暗物質的困難在於它不與我們已知的事物相互作用，因此我們還沒有[成功的]探測器，”舒姆說。但如果暗物質與原子核的相互作用與它與整個原子的相互作用不同，那麼這些差異可能會在核時鐘和原子鐘的比較中顯現出來。
“所有那些尚未得到很好解釋的力量，或者其起源尚不清楚的力量，都可能出現在時鐘頻率的比較中，”克雷斯波·洛佩斯-烏魯蒂亞說。如果它們的速度相對於彼此發生變化，那麼尋找穩定計時器的科學家們可能會發現，根本沒有這樣的東西。
本文的一個版本題為“核時間”，改編後收錄在2025年1月刊的《大眾科學》雜誌中。本文反映了該版本，並增加了一些為印刷版刪節的材料