“核時鐘”的技術突破為超精準計時鋪平了道路

核時鐘是一種通過測量原子核內微小能量躍遷計時的設備。物理學家已經知曉了制造核時鐘需要的所有組件。這類時鐘可能會大大提高測量精度，從而為基礎物理學帶來新的洞見。

研究人員測量了激發稀有同位素釷-229到更高能量態的光的頻率，且精確度是此前所有實驗的10萬倍以上，具體方法是把這種能量躍遷同目前世界上最精準的時鐘同步起來。領導這項研究的科學家是科羅拉多大學博爾德分校下屬實驗天體物理聯合研究所的物理學家葉軍和張傳坤團隊，相關文章發表在2024年9月的《自然》雜志上。

這次突破來自研究人員利用一種稱為“頻率梳”的激光設備探測釷-229原子核的實驗。從技術角度上說，這個裝置還不能算是鐘，因為研究人員并沒有直接用它測量時間。但實驗結果相當出彩，完全可能推動核時鐘的進步。

精確測量對粒子物理學而言相當有用。另外，因為核時鐘的頻率是由把原子核聚集在一起的基本力決定的，所以利用這種核時鐘可以研究是否存在某種暗物質——暗物質是一種看不見的物質，占到宇宙物質總量的85%左右——可以在極小的尺度內影響這些力。這是直接研究核力的一扇新窗戶。

目前，全世界性能最優秀的時鐘稱為“原子鐘”，它利用激光計時——極為精確地調整激光頻率，使其完美匹配激發原子內電子在兩個能級之間躍遷需要的能量。最精確的原子鐘每40億年才會走快或走慢1秒。核時鐘的工作原理與原子鐘稍有不同：核時鐘利用的是質子與中子進入激發態時的能量變化。……