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太陽東升西落，人們學(xué)會在地上豎起一根木棍，通過步測影子的長度讀出時間，這就是最初的時鐘，也被稱為日規(guī)。而后，人們在日規(guī)的基礎(chǔ)上發(fā)展出更精巧的日晷。后來，水鐘和鐘擺的出現(xiàn)使得計(jì)時越來越不依賴自然的日光。

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如今，原子的振蕩是科學(xué)家目前所能觀測到的最穩(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)時器，它的穩(wěn)定程度甚至超過了自然行星系統(tǒng)的運(yùn)行?，F(xiàn)今最精確的光學(xué)原子鐘差不多能精確到101?分之一，換句話說，如果它從宇宙大爆炸之初就開始運(yùn)行，一直走到今天，誤差也不超過1秒。

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

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然而科學(xué)家并沒有止步于此，他們正努力制造出一種比原子鐘更精確的時鐘。它被稱為核鐘，甚至可能成為有史以來最精確的計(jì)時器，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，隨著時鐘精確度的不斷提高，它們能幫助探索更多問題，將探索的目光推向更極致的邊緣。

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原子鐘利用的是電子的能量躍遷來計(jì)時。根據(jù)量子物理學(xué)，原子中的電子在特定的能級上只能攜帶一定量的能量。為了使原子中的電子從一個能級到達(dá)另一個能級，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，就可以作為一個非常精確的計(jì)時器。

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原子中的電子及其能級簡化示意圖。| 圖片來源：岳岳 / 原理

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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。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。

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原則上來說，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。核鐘能通過核能級之間的躍遷，而不是電子能級的躍遷來計(jì)時。值得注意的是，由于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。原子核能夠抵御會干擾原子鐘的雜散電場或磁場的影響。因此一些物理學(xué)家相信，核鐘更穩(wěn)定，也更精確。

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但問題在于，如果要用原子核計(jì)時，就需要激發(fā)原子核能級之間的躍遷?？茖W(xué)家清楚，對大多數(shù)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(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)了一個例外，那是個“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(fā)躍遷。

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更精確地測量這種躍遷的能量，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)家通過測量原子核在兩個能級之間躍遷時發(fā)射的電子來估算其能量。在2020年的一項(xiàng)新研究中，研究人員測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。

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自1994年起發(fā)表的釷-229能值，不同形狀標(biāo)識代表不同研究，最后四組（星標(biāo)）即為最新研究得到的新數(shù)據(jù)。紅色粗線代表著最近8次測量的加權(quán)均值，大約為8.12±0.11eV，相當(dāng)于152.7±2.1 nm的波長。| 圖片來源：L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

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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)于紫外線的波長范圍，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。

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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，它有望啟動躍遷，并更準(zhǔn)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(fā)電子，然后再將能量轉(zhuǎn)移到原子核。

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不少物理學(xué)家相信，更精確的時鐘可以推動依賴于它們的技術(shù)的改進(jìn)，比如GPS導(dǎo)航。核鐘還可以讓人們對物理學(xué)中的基本思想進(jìn)行新的測試，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)是否會隨時間而變化。

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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試愛因斯坦的廣義相對論的基礎(chǔ)，也就是所謂的等效原理。這種極為精確的時鐘甚至還有潛力用于尋找暗物質(zhì)，或者解決物理學(xué)中的一些大問題，幫助揭開物理學(xué)的新篇章。

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#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

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：

封面圖：TU WIEN


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