在维也纳工业大学的一间实验室里，科学家正在研究一种与普通钟表截然不同的计时装置。

没有指针，没有钟摆，也没有日常生活中熟悉的数字显示屏。

装置的核心，是一枚含有特殊钍原子的小晶体。研究人员用激光照射晶体，再利用原子核对光的反应，不断校正激光频率。

这项实验已经连续运行超过24小时，不需要研究人员反复干预，也不需要依靠另一台原子钟来维持自身的稳定。

研究团队由维也纳工业大学（TU Wien）物理学家托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）等人领导。

10月7日，相关论文发表于《自然》（Nature）。10月10日，科学新闻网站ScienceDaily介绍了这一进展，并将其称为一种可能在未来超越现有原子钟的计时技术。

这是科学家长期追求的目标：不再依靠原子外围电子的运动规律计时，而是利用更加微小的原子核。

研究团队已经证明，这套技术可以独立维持稳定的计时基准。

不过，有一件事需要先说清楚：这台核钟目前还没有超过世界上最精确的光学原子钟。

它的意义，是让一种长期停留在理论设想和实验验证阶段的技术，第一次具备了独立运作的能力。

一秒究竟有多长？如今由原子决定

人们最初通过太阳的位置判断时间，后来用机械钟、石英钟不断提高计时精度。

今天，国际单位制中的一秒，已经不再直接依赖地球自转。

它由铯-133原子的一个特定跃迁频率定义：9,192,631,770次对应的振荡周期，就是一秒。

这听起来有些抽象，却是现代世界许多技术系统能够协调运行的基础。

通信网络需要准确的时间信号。卫星导航必须知道无线电信号传播的时间。金融交易、科学实验和国际时间标准，也都依赖精密计时。

在最先进的实验室里，科学家还开发了光学原子钟。

它们利用原子或离子内部电子在不同能级之间跃迁时对应的光学频率计时。

与传统铯原子钟相比，光学原子钟使用的振荡频率更高，因此具有实现极高分辨率和稳定性的潜力。

但这些先进设备有一个共同特点：它们依赖的是电子能级跃迁。

电子位于原子核周围，会受到外部电场、磁场和其他环境条件的影响。

科学家可以利用复杂的控制系统，尽量减少这些干扰，却很难让它们完全消失。

于是，一些物理学家提出了另一种思路。

既然原子核比整个原子小得多，是否可以干脆把原子核本身作为计时的基准？

为什么科学家偏偏选择钍？

要理解这项实验的难度，可以先想象原子的结构。

原子核位于中心，由质子和中子组成；电子分布在它的周围。

原子核的尺度远远小于整个原子。由于它结构紧凑，核内能级对部分外界扰动的敏感程度，也可能比电子能级更低。

从理论上说，这种特性有利于建立更稳定的计时基准。

麻烦在于，大多数原子核的能级间隔太大。

要让原子核从一种能量状态进入另一种状态，通常需要远高于普通激光光子的能量。

这使得利用激光控制原子核，长期被认为是一项极其困难的工作。

但钍-229有一个特殊之处。

它存在两个能量十分接近的核状态，二者之间的跃迁可以通过特定频率的紫外激光实现。

这为科学家打开了一扇门。

如果能够准确找到激发钍-229原子核所需的光频率，就可以把这种频率变成稳定的计时参考。

2024年4月，维也纳工业大学团队与德国联邦物理技术研究院（PTB）的研究人员取得了关键突破。

他们首次利用激光成功激发钍-229原子核的目标跃迁。

同年晚些时候，研究人员进一步把钍核跃迁实验与现有光学原子钟联系起来，证明这种核跃迁可以用于高精度频率比较。

但那时的设备还存在一个问题。

它需要依靠外部精密时钟进行测量与校准，并没有形成一套可以自主维持稳定的完整核钟系统。

直到2026年，这个问题才取得关键进展。

一枚晶体，如何让激光自己纠正错误？

维也纳团队采用了一种颇为巧妙的设计。

他们把钍-229原子嵌入一枚毫米级的氟化钙晶体中。

这枚晶体可以在室温环境下工作。

研究人员让波长约148纳米的真空紫外激光与晶体中的原子核发生相互作用。

关键是，原子核并不会吸收任何频率的光。

只有当激光频率与对应核跃迁足够匹配时，才能产生特定的吸收信号。

这就提供了一种判断激光是否发生频率漂移的方法。

如果激光的频率发生细微变化，原子核对光的吸收也会随之改变。

设备监测这种变化，再通过反馈控制系统调整激光，让它重新对准核跃迁频率。

整个过程持续进行。

这有点像一个能够随时发现自己走快或走慢，并自动校准的钟。

核钟如何保持稳定

传统原子钟也采用反馈控制的基本思想，只不过它们使用的是电子跃迁。

这次研究的真正突破，是首次让钍原子核的跃迁信号承担了这一角色。

研究人员证实，这套装置能够独立保持稳定运行超过一天。

对于一项长期依赖复杂外部频率参考的实验技术而言，这是一个重要的转折点。

在一天左右的测量时间里，维也纳团队的核钟达到了接近 \(10^{-15}\) 量级的相对频率稳定度。

这个数字意味着什么？

研究人员用一个更容易理解的比喻解释：如果把这种量级的频率偏差换算成长期累计的时间误差，大致相当于3000万年偏差一秒。

但这里有一个容易被标题掩盖的区别。

3000万年误差一秒，是对实验测得频率稳定度的形象换算，不是研究人员已经证明这台核钟可以在3000万年内保持这一绝对计时误差。

频率稳定度与准确度是两个不同指标。

稳定度描述的是频率在不同测量时间尺度上的波动情况；准确度则关系到设备输出的频率与理想基准究竟有多接近，还需要评估和修正各种系统误差。

此次实验更重要的成果，是验证核跃迁反馈控制能够长期运行，并在约一天的平均时间尺度上取得相当高的频率稳定度。

而目前世界领先的光学原子钟，已经能够达到更优异的性能，部分研究的相对频率不确定度甚至进入 \(10^{-19}\) 量级。

因此，说核钟已经取代原子钟，显然为时过早。

舒姆也承认，第一代原型尚未达到最先进光学原子钟的水平。

不过，核钟仍有明显的改进空间。

研究人员预计，更强的激光、更好的晶体质量，以及对实验系统的进一步优化，有望让后续装置的性能提高几个数量级。

同一时间，中国团队也造出了一台核钟

维也纳的研究进展并非孤立发生。

10月7日，《自然》同时发表了另一篇核钟研究论文，来自中国科学技术大学等机构的团队也展示了基于钍-229核跃迁的核钟系统。

中国团队的研究同样使用了含有钍-229的氟化钙晶体，通过激光探测核跃迁并建立反馈控制，让激光频率跟随原子核提供的参考信号。

这一装置在实验中也实现了持续运行。

两项研究采用了各有特点的测量与控制方案，性能指标和实验条件也不完全相同，因此不宜简单地用一个数字给两台装置排名。

但它们共同说明了一件事：

核钟已经不再只是某一个实验室偶然实现的特殊装置。

不同研究团队正在沿着相近的物理原理，独立探索可实际运行的核计时系统。

《自然》在介绍两项论文时，也把它们视为核钟技术迈向实际应用的重要进展。

在精密计时领域，中国、欧洲和美国研究机构长期都有合作与竞争。

这种竞争不仅体现在谁能做出最精确的装置，也体现在新材料、激光技术、量子测量和复杂系统控制能力的积累。

而对于核钟来说，目前仍处在技术快速发展的早期阶段，未来哪种实现方案更适合长期运行或实际应用，尚未定论。

核钟真正令人兴奋的用途，可能不是报时

如果只是为了知道现在几点，普通人几乎不需要一台核钟。

即使手机的时间存在几毫秒偏差，多数日常活动也不会受到影响。

那么，科学家为什么愿意花费多年时间，去追求这样极端的计时精度？

答案是，精密时钟本质上也是一种科学测量仪器。

在物理学中，时间和频率往往能够用来测量极其微小的自然变化。

例如，根据爱因斯坦的广义相对论，不同引力势下的时钟运行速率会有所不同。

如果时钟足够精密，科学家就能够利用频率变化研究引力效应，甚至探索更高精度的地球测量方法。

核钟还有另一项特别的潜在用途：寻找超轻暗物质。

暗物质是什么，至今仍是现代物理学最重要的未解问题之一。

天文学家通过星系运动、引力透镜和宇宙结构等观测，已经积累了大量支持暗物质存在的证据。

但构成暗物质的究竟是什么粒子，仍然没有得到确认。

部分理论认为，如果暗物质由极轻的粒子构成，它可能表现出类似振荡场的性质，并导致某些基本物理参数出现极其微弱的周期性变化。

如果这种变化会影响原子核的能级差，那么核钟的频率就可能留下可被测量的痕迹。

核钟对核内物理过程较高的敏感性，使它成为检验此类理论的潜在工具。

此次维也纳团队也利用新装置，分析钍核跃迁频率是否存在微弱的周期性变化或缓慢漂移。

研究覆盖的变化时间尺度大约从20秒到一天。

结果没有构成暗物质被发现的证据。

但研究人员据此对部分超轻暗物质模型设置了新的约束，其中一些结果已经能够与先进原子钟实验相竞争，并在特定相互作用模型上提供更严格的限制。

这件事尤其值得注意。

维也纳团队并没有等到核钟性能超过所有原子钟，才开始利用它研究基础物理。

即使是一台尚不成熟的原型机，也已经能够帮助科学家缩小某些理论成立的可能范围。

它距离进入普通人的生活，还有多远？

每一次精密计时技术取得突破，人们都会想到卫星导航、通信网络和金融系统。

这些领域确实高度依赖精确的时间同步。

尤其是卫星导航，系统通过测量信号的传播时间，计算用户与卫星之间的距离。

时间误差会转化为测距误差。

因此，高稳定度的时钟一直是先进导航系统的重要基础技术。

但要让核钟进入实际工程应用，还有不少障碍。

目前的核钟需要专门的激光系统、精密光学设备和经过特殊制备的钍晶体。

装置仍然复杂，成本较高，也尚未证明它在长时间、不同环境条件下，能够稳定地胜过成熟的原子钟系统。

此外，钍-229是一种放射性同位素，其制备、操作和应用涉及相应的技术及安全管理要求。

因此，不能根据此次实验就推断，核钟很快会取代导航卫星上的原子钟。

更现实的近期用途，仍然是高精度科学实验。

随着技术成熟，研究人员可能逐步探索设备小型化、可靠性改善和更广泛的计量应用。

不过，它最终能否成为未来时间标准的一部分，还要由后续实验证明。

人类为什么要把一秒测得越来越精确？

几百年前，能够准确记录一天中的小时，已经足以满足大多数人的需要。

工业化改变了这一点。

铁路运输需要城市之间统一时间，电信网络需要协调信号传输，全球化又让不同国家必须共享更加可靠的计时体系。

进入原子时代之后，科学家发现，越来越精确的时钟不仅能够服务社会运行，也能够成为认识自然的工具。

原子钟帮助人类检验相对论，改善卫星导航，并在越来越小的尺度上比较时间与频率。

核钟可能延续这条道路。

维也纳实验室里的那枚晶体并不起眼。

钍原子核小到无法用普通显微镜观察，装置产生的变化也远远超出人类感官能够直接察觉的范围。

但是，当激光频率发生细微漂移时，晶体中的原子核会通过吸收信号告诉控制系统：它已经偏离了正确的位置。

随后，设备将频率调整回来。

这个过程在实验室里持续了超过一天。

它仍然不是世界上最好的钟，也没有让人类找到暗物质。

但它证明了一件过去数十年里始终存在技术障碍的事情：原子核可以真正成为一台独立运行时钟的核心。

科学家制造更精确的钟，不只是为了把时间记得更准，而是因为自然界中许多最微弱的变化，最终都可能通过时间被测量出来。

也许未来某一天，一台核钟最重要的发现，并不是它在多少年里只偏差一秒。

而是它终于测到了某种现有仪器还无法察觉的宇宙变化。