太陽東(dong) 升西落，人們(men) 學會(hui) 在地上豎起一根木棍，通過步測影子的長度讀出時間，這就是最初的時鍾，也被稱為(wei) 日規。而後，人們(men) 在日規的基礎上發展出更精巧的日晷。後來，水鍾和鍾擺的出現使得計時越來越不依賴自然的日光。

如今，原子的振蕩是科學家目前所能觀測到的最穩定的周期性事件，而原子鍾也成了目前世界上最精確的計時器，它的穩定程度甚至超過了自然行星係統的運行。現今最精確的光學原子鍾差不多能精確到10¹⁸分之一，換句話說，如果它從(cong) 宇宙大爆炸之初就開始運行，一直走到今天，誤差也不超過1秒。

核鍾的藝術家暢想圖。| 圖片來源：P. G. Thirolf et al., Ann. Phys. 531, 1800381 (2019)

然而科學家並沒有止步於(yu) 此，他們(men) 正努力製造出一種比原子鍾更精確的時鍾。它被稱為(wei) 核鍾，甚至可能成為(wei) 有史以來最精確的計時器，據估計，其精度可以達到原子鍾的10倍。物理學家相信，隨著時鍾精確度的不斷提高，它們(men) 能幫助探索更多問題，將探索的目光推向更極致的邊緣。

原子鍾利用的是電子的能量躍遷來計時。根據量子物理學，原子中的電子在特定的能級上隻能攜帶一定量的能量。為(wei) 了使原子中的電子從(cong) 一個(ge) 能級到達另一個(ge) 能級，必須用適當頻率的激光照射原子。這一頻率，也就是光的電磁波振蕩的速率，就可以作為(wei) 一個(ge) 非常精確的計時器。

原子中的電子及其能級簡化示意圖。| 圖片來源：嶽嶽 / 原理

就像原子中的電子一樣，原子核裏的質子和中子同樣占據著不連續的能級。但不同的是，原子核受到強大的核力作用，這種力將質子和中子牢牢綁在一起。

原則上來說，物理學家可以利用原子核的物理特性，製造出全新的核鍾。核鍾能通過核能級之間的躍遷，而不是電子能級的躍遷來計時。值得注意的是，由於(yu) 原子核比原子的電子殼層小得多，它對外界的擾動更加不敏感。原子核能夠抵禦會(hui) 幹擾原子鍾的雜散電場或磁場的影響。因此一些物理學家相信，核鍾更穩定，也更精確。

但問題在於(yu) ，如果要用原子核計時，就需要激發原子核能級之間的躍遷。科學家清楚，對大多數原子核來說，激光或許“力所不能及”，這需要比激光更高能量的光。幸運的是，在所有已知的原子核中，物理學家已經發現了一個(ge) 例外，那是個(ge) “怪咖”：在釷-229中，有一對能量足夠接近的相鄰能級，激光就有可能引發躍遷。

更精確地測量這種躍遷的能量，便是建造釷核鍾的關(guan) 鍵一步。2019年《自然》雜誌上的論文報道，一組物理學家通過測量原子核在兩(liang) 個(ge) 能級之間躍遷時發射的電子來估算其能量。在2020年的一項新研究中，研究人員測量了釷原子核能夠產(chan) 生的其他能量躍遷，減去它們(men) ，就可以推斷出核鍾躍遷的能量。

自1994年起發表的釷-229能值，不同形狀標識代表不同研究，最後四組（星標）即為(wei) 最新研究得到的新數據。紅色粗線代表著最近8次測量的加權均值，大約為(wei) 8.12±0.11eV，相當於(yu) 152.7±2.1 nm的波長。| 圖片來源：L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

研究人員一致認為(wei) ，這種躍遷的能量大約是8電子伏特多一點，這種能量相當於(yu) 紫外線的波長範圍，在這種情況下，用激光激發躍遷是可能的，但也正處於(yu) 目前科學家能力極限的邊緣。

在了解躍遷能量的大小之後，科學家下一步的目標就是用激光觸發它，並在未來數年內(nei) 建造出真正的核鍾。目前，科學家嚐試的方法包括頻率梳和電子橋等。頻率梳是一種創建激光不連續頻率陣列的方法，它有望啟動躍遷，並更準確地測量其能量；而電子橋的大致原理則是使激光首先激發電子，然後再將能量轉移到原子核。

不少物理學家相信，更精確的時鍾可以推動依賴於(yu) 它們(men) 的技術的改進，比如GPS導航。核鍾還可以讓人們(men) 對物理學中的基本思想進行新的測試，許多物理學家感興(xing) 趣的是，它可以幫助確定自然中的一些基本常數是否會(hui) 隨時間而變化。

例如，一些研究表明，精細結構常數（決(jue) 定電磁相互作用強度的數字）在某些情況下可能會(hui) 產(chan) 生變化，而核鍾就是尋找基本常數變化的完美係統。這些裝置同樣能夠測試愛因斯坦的廣義(yi) 相對論的基礎，也就是所謂的等效原理。這種極為(wei) 精確的時鍾甚至還有潛力用於(yu) 尋找暗物質，或者解決(jue) 物理學中的一些大問題，幫助揭開物理學的新篇章。

#創作團隊：

編譯：毛尖尖

#參考來源：

https://www.sciencenews.org/article/nuclear-clock-atomic-most-precise-time-physics

https://physics.aps.org/articles/v13/152

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/milestones-on-the-way-to-the-nuclear-clock-1

#圖片來源：

封麵圖：TU WIEN


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