自人類(lèi)文明伊始，我們就開(kāi)始利用一些能觀(guān)察到的周期性現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)時(shí)。太陽(yáng)東升西落，人們學(xué)會(huì)在地上豎起一根木棍，通過(guò)步測(cè)影子的長(zhǎng)度讀出時(shí)間，這就是最初的時(shí)鐘，也被稱(chēng)為日規(guī)。而后，人們?cè)谌找?guī)的基礎(chǔ)上發(fā)展出更精巧的日晷。后來(lái)，水鐘和鐘擺的出現(xiàn)使得計(jì)時(shí)越來(lái)越不依賴(lài)自然的日光。

如今，原子的振蕩是科學(xué)家目前所能觀(guān)測(cè)到的最穩(wěn)定的周期性事件，而原子鐘也成了目前世界上最精確的計(jì)時(shí)器，它的穩(wěn)定程度甚至超過(guò)了自然行星系統(tǒng)的運(yùn)行。現(xiàn)今最精確的光學(xué)原子鐘差不多能精確到101?分之一，換句話(huà)說(shuō)，如果它從宇宙大爆炸之初就開(kāi)始運(yùn)行，一直走到今天，誤差也不超過(guò)1秒。

然而科學(xué)家并沒(méi)有止步于此，他們正努力制造出一種比原子鐘更精確的時(shí)鐘。它被稱(chēng)為核鐘，甚至可能成為有史以來(lái)最精確的計(jì)時(shí)器，據(jù)估計(jì)，其精度可以達(dá)到原子鐘的10倍。物理學(xué)家相信，隨著時(shí)鐘精確度的不斷提高，它們能幫助探索更多問(wèn)題，將探索的目光推向更極致的邊緣。

原子鐘利用的是電子的能量躍遷來(lái)計(jì)時(shí)。根據(jù)量子物理學(xué)，原子中的電子在特定的能級(jí)上只能攜帶一定量的能量。為了使原子中的電子從一個(gè)能級(jí)到達(dá)另一個(gè)能級(jí)，必須用適當(dāng)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，就可以作為一個(gè)非常精確的計(jì)時(shí)器。

原子中的電子及其能級(jí)簡(jiǎn)化示意圖。|圖片來(lái)源：岳岳 / 原理

就像原子中的電子一樣，原子核里的質(zhì)子和中子同樣占據(jù)著不連續(xù)的能級(jí)。但不同的是，原子核受到強(qiáng)大的核力作用，這種力將質(zhì)子和中子牢牢綁在一起。

原則上來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家可以利用原子核的物理特性，制造出全新的核鐘。核鐘能通過(guò)核能級(jí)之間的躍遷，而不是電子能級(jí)的躍遷來(lái)計(jì)時(shí)。值得注意的是，由于原子核比原子的電子殼層小得多，它對(duì)外界的擾動(dòng)更加不敏感。原子核能夠抵御會(huì)干擾原子鐘的雜散電場(chǎng)或磁場(chǎng)的影響。因此一些物理學(xué)家相信，核鐘更穩(wěn)定，也更精確。

但問(wèn)題在于，如果要用原子核計(jì)時(shí)，就需要激發(fā)原子核能級(jí)之間的躍遷?？茖W(xué)家清楚，對(duì)大多數(shù)原子核來(lái)說(shuō)，激光或許“力所不能及”，這需要比激光更高能量的光。幸運(yùn)的是，在所有已知的原子核中，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)例外，那是個(gè)“怪咖”：在釷-229中，有一對(duì)能量足夠接近的相鄰能級(jí)，激光就有可能引發(fā)躍遷。

更精確地測(cè)量這種躍遷的能量，便是建造釷核鐘的關(guān)鍵一步。2019年《自然》雜志上的論文報(bào)道，一組物理學(xué)家通過(guò)測(cè)量原子核在兩個(gè)能級(jí)之間躍遷時(shí)發(fā)射的電子來(lái)估算其能量。在2020年的一項(xiàng)新研究中，研究人員測(cè)量了釷原子核能夠產(chǎn)生的其他能量躍遷，減去它們，就可以推斷出核鐘躍遷的能量。

研究人員一致認(rèn)為，這種躍遷的能量大約是8電子伏特多一點(diǎn)，這種能量相當(dāng)于紫外線(xiàn)的波長(zhǎng)范圍，在這種情況下，用激光激發(fā)躍遷是可能的，但也正處于目前科學(xué)家能力極限的邊緣。

在了解躍遷能量的大小之后，科學(xué)家下一步的目標(biāo)就是用激光觸發(fā)它，并在未來(lái)數(shù)年內(nèi)建造出真正的核鐘。目前，科學(xué)家嘗試的方法包括頻率梳和電子橋等。頻率梳是一種創(chuàng)建激光不連續(xù)頻率陣列的方法，它有望啟動(dòng)躍遷，并更準(zhǔn)確地測(cè)量其能量；而電子橋的大致原理則是使激光首先激發(fā)電子，然后再將能量轉(zhuǎn)移到原子核。

不少物理學(xué)家相信，更精確的時(shí)鐘可以推動(dòng)依賴(lài)于它們的技術(shù)的改進(jìn)，比如GPS導(dǎo)航。核鐘還可以讓人們對(duì)物理學(xué)中的基本思想進(jìn)行新的測(cè)試，許多物理學(xué)家感興趣的是，它可以幫助確定自然中的一些基本常數(shù)是否會(huì)隨時(shí)間而變化。

例如，一些研究表明，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（決定電磁相互作用強(qiáng)度的數(shù)字）在某些情況下可能會(huì)產(chǎn)生變化，而核鐘就是尋找基本常數(shù)變化的完美系統(tǒng)。這些裝置同樣能夠測(cè)試愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，也就是所謂的等效原理。這種極為精確的時(shí)鐘甚至還有潛力用于尋找暗物質(zhì)，或者解決物理學(xué)中的一些大問(wèn)題，幫助揭開(kāi)物理學(xué)的新篇章。

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