核钟：或将成为宇宙中最精确的钟

二宗主

比原子钟更精确的计时器

原子钟，目前世界上最精确的计时装置。它有多精确？如果让它从宇宙大爆炸之初就开始计时，一直走到今日，误差也不会超过1秒！

原子钟是利用电子的能量跃迁来计时的。根据量子物理学，原子中的电子在特定的能级上只能携带一定量的能量。为了使原子中的电子从一个能级到达另一个能级，必须用适当频率的激光照射原子。

就像原子中的电子一样，原子核中的质子和中子也占据着离散的能级，因此原子核中也有类似的能量跃迁。这种跃迁有望带来一种比原子钟更精确的计时装置——核钟。然而，建造核钟是项非常艰巨的任务，因为观察这种核跃迁并精确地知道能级的能量差，是极其困难的。

理想的同位素：钍-229

核钟的计时原理与原子钟的非常相似，它是通过与原子核的两个能级之间的能量差精确对应的光波来诱发原子核的能量跃迁。但问题是，对大多数原子核来说，这种诱发需要比激光更高能的光照射才能实现。不过，科学家发现有一种元素例外，那就是放射性同位素钍-229。

钍-229中有一对能量足够接近的相邻能级，其激发态的能量仅比它的基态高8电子伏左右。这是非常微小的能量差异，用激光就可能激发能级跃迁。遗憾的是，物理学家还没能制造出可以激发钍-229核跃迁的激光。一个主要原因是，他们并不知道这种核跃迁能量的确切值。

核跃迁的一个特征是发射光子，通過测量这个光子，可以精确地测得核跃迁的能量。但这个光子非常难以捕捉，因为通常情况下，钍发射一个电子的概率是发射一个光子的10亿倍。

捉住那个光子

目前，在缺乏合适激光的情况下，物理学家主要采用的是通过铀-233的α 衰变的放射性过程来激发钍-229的核跃迁，但这是一种非常低效的方法。为了更有效地激发钍-229，研究人员采用了一个不同的方式，即利用锕-229的β 衰变。

利用欧洲核子研究中心粒子物理实验室的ISOLDE 设备（同位素分离器），研究人员将含有钫-229和镭-229的同位素原子核束发射到氟化钙和氟化镁晶体上。钫-229和镭-229通过β 衰变产生锕-229原子核，接着锕-229也会经历β 衰变，成为放射性的钍-229。

钍-229会取代氟化钙和氟化镁晶体中的一些原子，并主要通过发射光子衰变到基态。这些晶体对核跃迁发射的光子来说是透明的，换句话说，被发射的光子可以不受干扰地离开晶体，被探测器捕捉。

晶体的这种特质可以产生能够被观测到的信号，使得研究人员有了捕捉这种光子的能力，并以足够精确的方式对其进行测量。研究表明，他们能以不确定性仅为以前测量的1/7的精确度来确定光子的频率。而这一频率正是用于激发钍原子核跃迁所需的激光频率。

核钟的里程碑

这项工作对核钟的发展来说是一个重要的里程碑，标志着科学家已经对钍原子核的能级有了足够了解。

现在，已经有研究团队开始尝试建造可以激发核跃迁的激光。一旦成功，科学家将有望从新建成的核钟中，获知大量原子核的内部运作信息，甚至新的物理学效应。

将这种核钟与现有的原子钟进行比较，以便在量子领域或相对论中寻找新的物理效应，这将是一件有趣的事情。在核尺度上起作用的力，如强力和弱力，与作用在原子钟上的力不同，因此任何差异都可能暗示着新的物理学。如果能将原子核控制到这样一个程度——可以看到光子的信号，那么这对考虑建造一个核钟来说，是一个重要的里程碑。

到那时， 核钟的性能会超越现有的原子钟吗？这仍是一个没有答案的问题。随着原子钟精度的不断提高，很可能会有一场计时器竞赛，而成败可能就取决于能够激发钍-229核跃迁的激光的发展。

本文转自微信公众号“原理”