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导读：
人类一直在通过测量认识世界、探索世界、改造世界，并推进测量的极限。时间测量就是一个典型的例子，现在最精确的原子钟每400亿年才有1秒的偏差，而宇宙的寿命也才138亿年。
物理学家依然不满足于此，正在追求更精确的钟——原子核钟。就在2024年9月，美国国家标准与技术研究所(NIST)-科罗拉多大学博尔德分校实验天体物理联合研究所（JILA）的叶军教授领导的团队成功测量了核钟跃迁的精密光谱，为原子核钟奠定了基础，尽管在精度上尚未达到最好的原子钟的水平。原理上讲，原子核钟精度能达到3000亿年偏差1秒的程度(Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 120802) 。
计时有必要如此精确吗？对于日常看时间，确实没必要，但对于一些更令人兴奋的事情就有必要了，如搜寻暗物质、探测强相互作用力等。科学历史反复证明过，测量精度提高一步，新的现象就会显现出来，我们对于世界的认知也可能会因此发生改变。
就像原子中的电子一样，原子核中的质子和中子也占据着离散的能级，因此原子核中也有类似的跃迁。原子核极端小，是核外电子分布范围的十万分之一，几乎不受外界环境的影响。因此，原子核中的跃迁有望带来一种比原子钟更精确的时钟——核钟。这个想法是俄罗斯物理学家Eugene Tkalya在1996年最早提出的（Physica Scripta. 1996，53 (3): 296）。
核跃迁能量更高，意味着产生的辐射的频率更高，这意味着每秒有更多的波周期，计时精度更高，但这也带来一个问题，没有这样的激光能激发核跃迁。看来，限制原子核钟的是能否制造出更强大的激光器。
不过，幸运的是，早在1976年，科学家就发现钍-229具有一种怪异的低能核跃迁（Nucl. Phys. A 1976，259, 29）能量的数量级只有几个电子伏，相比而言，通常的核跃迁能量在百万电子伏量级。
现在依然有一个难题，物理学家只知道钍-229的原子核有一个低能激发态能级，但不知道这个低能激发态的能量具体是多少。
能不能算出来呢？毕竟原子核物理已经相当成熟了。
原子核的理论确实很成熟，但用于计算整个原子核，所需计算量还是太大了，尤其是对于钍-229这样的重原子核，还没有超级计算机能完成这样的计算。
科学家们想到通过实验来确定。从2009年开始，物理学家们一直在取得缓慢的进步。直到物理学家想到一个新颖的方法，将钍-229掺杂到氟化钙晶体里，这样可以直接测量数十亿钍-229发出的信号，而不是像以前那样，测量单个钍-229原子。2023年，欧洲和美国科学家利用这种晶体，分别用两种不同的方法确定出了钍-229原子核跃迁的能量，对应的辐射的频率为2020.407太赫兹（论文正式发表于2024年：Phys. Rev. Lett. 2024, 132, 182501；Phys. Rev. Lett. 2024, 133, 013201），处于紫外线波段，更具体说是真空紫外线波段。小于200纳米的紫外线辐射会被空气强烈地吸收，因此称之为真空紫外线。
这个波段的激光是可以做出来的。
频率梳可以用作测量光频率的尺，先确定一个已知光的频率所对应的频率梳“梳齿”，再找到未知光频率所对应梳齿，数出来二者之间梳齿的数目，即可得出未知光频率。
叶军实验室的研究生们开始用频率梳精确确定激发钍-229原子核所需要的激光频率。经过日夜奋战，在2024年5月22日夜大约11点半，研究生张传坤看到了寻找已久的信号，他把屏幕上显示的尖峰拍了下来，发到了本课题的4个研究生的WhatsApp 群里。另三位同学看到信息，睡意全无，各自起床打车回到实验室。他们检查实验，排除各种可能的误差，最后确认看到的信号是真的。5月23日凌晨3点42分，4位伙伴拍了一张自拍照，以兹纪念。（此故事见Quantum Magazine和MIT科技评论的报道）
他们从频率梳上找到该频率的位置，以及当今精度最高的原子钟之一——锶-87 原子钟所对应的频率，确定出了钍-229原子核跃迁的频率，精度比前部分所述两个测量结果高百万倍。
频率梳激发钍-229原子核，精准确定激发频率。图源：Nature 2024, 633, 43
他们的测量结果于2024年9月发表于Nature（Nature 2024, 633, 63）。这一工作将核跃迁和原子钟频率通过频率梳联系在一起，即原则上可以给出核钟的两次“滴答”之间的时间间隔，这其实验证了研制核钟的可行性。尽管这项工作并没有真正测量时间，但核钟的核心部件在这个实验中已经初步具备。
要制备出真正的超精确的核钟，有一个突出的挑战亟需解决：如何降低钍-229的用量。
地球上的钍-229非常稀有，全球可以拿来用的纯钍-229只有40克，供实验室用的钍-229也只有几毫克而已。另外，钍-229是从铀矿中提炼而来的，成本很高昂，其本身也是放射性元素，从生产到实验，都要付出安全防护成本。
叶军团队与合作者在2024年12月发表的一项工作解决了这个难题。
前文所述钍-229核钟研究是将钍-229掺杂到晶体中，因而用量比较大。叶军团队与合作者利用成熟的物理气相沉积（PVD）工艺，得到了含钍-229的薄膜，厚度约 30至100 纳米，放射性降低了数千倍，与香蕉的放射性相当。
含钍-229薄膜的性能如何？
目前来看，可行，但效果差于晶体。实验发现，薄膜中依然可以激发钍-229的低能核跃迁，但核跃迁的寿命降低了4倍多，参与核跃迁的原子核的比例太低。还需要更多研究，改善薄膜性能，最终实现薄膜核钟。
薄膜核钟中钍-229用量不到1微克，目前全球钍-229库存可制造出几亿核钟，批量化生产原料难题不再不可逾越。
核钟研制成功之后，将会在很多方面改变世界。
金融短线操作会更短更刺激。GPS可能会升级为UPS，即宇宙定位系统，为星际旅行导航。
核钟最直接的应用还是在基础科学方面。
核钟可能会重新定义秒。另外，核钟会立即用于验证广义相对论。根据广义相对论，距离地面越高，钟记录的时间流逝越快。这可用核钟进行验证。核钟还将有望提供有关地形、内部和引力场的极其精确的信息，从而使“相对论大地测量学”（relativistic geodesy）从学术探讨走向落地实践。
核钟还可用于检验一些物理常数——如精细结构常数、电子质量等——是否真的是常数。这样的实验结果会改写基本的物理定律。
部分超越标准模型的物理理论预言，暗物质所到之处，精细结构常数会发生变化。物理学家做过多次努力（如Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 253001），用原子钟检验这个预言，没有得到预想的结果，采用灵敏度更高的核钟，或许会得到不一样的结果，进而窥探到暗物质的性质和影踪。
高精度钟可用于探测暗物质。图源：NIST
总之，在核钟时代，我们不仅将有可能更精确地知道现在是什么时间，还将更准确地知道我们生活在什么样的宇宙之中。
