70 多年来，原子钟一直是世界上最精确的时间测量方法，但它们的统治地位可能即将结束。根据美国国家标准与技术研究院（NIST）于 9 月 4 日发布的公告，一个国际研究团队比以往任何时候都更接近完成首个核钟原型。专家认为，它的精度提高不仅可以升级从 GPS 和互联网速度到数字安全的一切——这样的设备还可以帮助探索暗物质的本质和其他基本粒子物理学理论。
乍一看，两者之间的区别可能不大，但关键在于规模。原子钟基于测量单个原子精确的振动来计算一秒钟。为此，一束高能激光被瞄准一个铯-133 原子，该原子会激发其电子，使其在单秒时间内以 9,192,631,770 次振动的确切频率在能级之间切换。世界各地的原子钟网络会根据这一测量结果同步系统，为互联网通信、地图绘制、太空发射以及许多其他用途提供极其精确的协调。自 2014 年以来，美国当前的主要标准——位于 NIST 的铯喷泉钟——已能够将时间的误差控制在 3 亿年内只有 1 秒。
然而，核钟将以指数级更精细的参数应用这些概念。顾名思义，这些设备关注的是单个原子核的振动，而不是更大原子的振动。瞄准原子核（比整个原子小 10 万倍）的激光需要更高的频率，这也能确保每秒更多的波周期。这增加了每秒的振动次数，从而提高了精度。理论上，这些结果导致的时间不确定性使得 3 亿年看起来不可靠。
“想象一下一块手表，即使你让它运行数亿年也不会慢一秒，”NIST 和 JILA 的物理学家 Jun Ye 在周三的公告中说道。“虽然我们还没有达到那个水平，但这项研究让我们离那个精度的水平更近了。”
一般来说，原子核需要相干的 X 射线才能进行类似的相位跃迁——但目前的技术无法产生所需的能量水平。为了克服这一障碍，研究人员转向了钍-229，其原子核的跃迁比任何其他已知原子都要小，同时仅需要较低能量的紫外光进行激发。
一旦钍原子核被悬浮在小晶体中，研究人员就以可预测的间隔用紫外激光束照射它，同时使用所谓的“光学频率梳”——被描述为“极其精确的光尺”——来计算质子和中子的振动“滴答”声。其结果是精度大约是以前基于波长的测量的 100 万倍。该团队还将他们的紫外线频率与世界上最精确的锶原子钟之一的光学频率进行了比较，以建立核跃迁和原子钟之间的第一个“直接频率连接”——根据 NIST 的说法，这是“开发核钟并将其与现有计时系统集成的一个关键步骤”。
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这些实验打破的不仅仅是时间测量屏障。新的阵列还使物理学家能够以前所未有的细节观察钍原子核的形状，该团队将其比作能够从飞机上看到一根草的叶子。
虽然它不是一个完全成熟的核钟，但研究人员已经首次证明了其基本原理的可行性。从这里开始，专家们可以开始设计一个实际的设备来将这些工具付诸实践。一旦完成，核钟可能有一天能够支持更快、更可靠的互联网连接、更精确的地图绘制系统，并在物理学领域取得重大发现，例如探测暗物质或验证自然界的理论常数，所有这些都无需大型粒子加速器。
