中国这台核光钟，为啥值得人类研究 50 年？
最近有没有留意到“核光钟”这个词？几天前，新华社发布官方消息称，中国科研团队成功制造出核光钟，相关成果还登上了顶级学术期刊《Nature》。
简单来说，就是中国团队打造了一款比现有原子钟更先进的计时设备，并且将技术从常规原子层面推进到了原子核内部，因此得名核钟或核光钟。
尽管我们早已习惯类似“本科生发Nature”这样的新闻，但“核光钟”这个词听起来确实很有冲击力。有人可能觉得这像是修仙小说里的神器，但上网一搜，会发现网络上的解读大多是这样的画风：
“什么！中国人重新定义时间？”“地震前一天中国人就能知道？”“清华本科生让中国核潜艇战力翻倍？”
有些营销号的表述过于夸张，把纯科学的东西搞得像论战圈一样，其实没那么玄乎。不过，经过仔细研究后，我发现这些营销号虽然有点过头，但核光钟的技术确实非常厉害。
具体来说，这得从大家熟悉的原子钟讲起。
众所周知，为了精确测量“一秒”有多长，人类把计时技术卷到了极致。最初人们观察太阳和行星的运转，后来使用机械钟表，钟摆摆动一次就是1秒。为了更精确，又研究了石英晶体——石英通电后能以32768（2^15）赫兹振动，经过15次二分频就能输出1秒的信号，因此石英被制成晶振，广泛应用于各种电子元件中。
但由于石英容易受温度、老化等因素影响，人类进一步将尺度缩小到原子层面来定义时间。中学化学里学过，原子内部的电子处于特定的量子能级，当它在两个能级之间跃迁时，会吸收或释放特定频率的电磁波。这个频率由普朗克常数决定，是宇宙中的固定值，因此用它来计算时间非常理想。例如，铯原子钟利用铯-133的特定跃迁频率来定义1秒，国际单位制中1秒的定义就是铯-133跃迁频率的9192631770次振荡时长。
既然原子钟已经这么先进，为什么还要研发核光钟呢？道理和淘汰石英钟类似。原子钟虽然极其精密，但由于电子非常轻，容易受到外部电磁环境的干扰，科学家需要花费大量精力消除系统误差。而且，一套原子钟还需要复杂的激光冷却、真空系统和接近绝对零度的超低温环境。虽然核心部件不大，但配套设备加起来非常庞大，难以小型化和工程化，搬上卫星也很占空间。
因此，有人想到，能不能继续往更小的尺度做，直接利用原子核来计时？实际上，原子核本身也有能级，可以进行量子跃迁。原子核比核外电子更稳定，受外界电磁干扰的影响极小。理论上，常见原子钟的极限误差可能是一亿年错一秒，但核钟的理论精度能达到几百亿年才错一秒——比宇宙大爆炸到现在的时间还长。
那么，如何制造核光钟呢？基本思路与原子钟相同：首先，用一束激光击中原子核，使其进入量子跃迁的激发态；然后，计算原子核跃迁能量的特定频率，并将激光调整到与该频率完全一致；最后，测量这束被原子核校准的激光频率，再用“光频梳”等工具将其还原为1秒。这样，一个核光钟就完成了。
听起来简单，但为了完成这几步，全人类花了整整50年。制造核光钟的第一个难题是能量：常规原子核的跃迁需要极高能量的伽马射线才能激发，但人类目前的技术还无法完全掌控伽马射线，而且其穿透力太强可能破坏仪器。幸运的是，1976年，美国人在研究核弹时意外发现了钍-229元素，其衰变后存在两个异常接近的原子核能级，跃迁能量极低。但当时美国人并没有想到用它来做核光钟。2003年，德国科学家意识到钍-229是天选核光钟材料，且能用激光驱动。尽管如此，直到2016年，科学家才首次证明钍-229存在这种激发态，而具体的跃迁能量直到2023年才被测定为约8.3电子伏特，2024年才确认需要波长约148.3纳米的激光。
知道参数后，新的麻烦又来了。要制造一台真正的“钟”，激光必须极其稳定，但148纳米属于真空紫外波段，这种光会被空气吸收，现有光学材料和激光技术对它束手无策。这个问题连美国军方都难以解决。2025年1月，美国国防高级研究计划局（DARPA）专门发布了名为SUNSPOT的项目，核心目标之一就是攻克钍-229所需的激光。
然而，就在激光技术卡住美国人脖子时，清华大学丁世谦团队已经实现了弯道超车。他们用“镉蒸气”作为介质，通过“四波混频”方案，将几束不同频率的激光融合成一束纯净的148纳米真空紫外光。经过多年努力，团队成功制造出连续、稳定的光源。今年2月，这项成果登上了《Nature》。有趣的是，这篇论文发表时，因作者署名引发过讨论：清华本科生肖琦是排第一的共同一作，而带他的博士生黄北辰排第四。不过，能在这张属于全人类科技史的答卷上留名，两人都值得敬佩。
有了光，最后一步是材料。在核光钟中，需要将钍-229均匀地融入一块晶体中。钍-229极其稀缺，晶体生长易出现缺陷，还要保证晶体绝对透明。此前，欧洲科学家已找到关键材料氟化钙。随后，清华大学、北京大学、上海光机所、清华核研院、上海硅酸盐所、中国计量院等中国顶尖科研机构联合攻关，最终用1.4微克的钍-229制成掺钍氟化钙晶体。在丁世谦团队的努力下，中国人自主研发的核光钟成功了。
至此，我们可以用钍-229核跃迁频率来定义一秒：一秒就是钍-229原子核在钍-229m和基态间跃迁时辐射的电磁波（紫外光）周期的2020407384335000倍时间。10月7日，《Nature》发表了大轴论文，黄北辰已成为第一顺位共同一作，肖琦仍在共同一作之列。
巧合的是，中国团队这次与欧洲团队撞车了，但中国赢了。10月7日，清华团队和欧洲团队独立完成的两项核光钟成果在《Nature》上同期发表。对比发现，中国团队的核光钟不仅实现了稳定闭环运行，而且秒级频率的稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级。
至于核光钟的未来用途，按照清华团队接受央媒采访的说法，主要分为两部分。一方面，它可以小型化，方便搬上卫星，替代原子钟承担卫星导航、通信网络和深空探测等高精度授时需求，解决星载时钟的漂移问题，极大提升测控测量精度。另一方面，它会成为人类探索基础物理的新工具，例如研究宇宙基本常数、暗物质的影响以及宇宙大爆炸初期的状态。不过，目前的核光钟还未超越最先进的原子光钟，距离真正小型化、进入卫星或其他实际装备还有很长的路要走。
人类花了50年认识这种特殊的原子核，又花了20多年才把它第一次变成钟。至于它最终能带人类走向何处，还是交给时间去验证吧。爱游戏体育网址
图片、资料来源：新华社、人民日报、Nature、知乎等，部分图源网络。本文来自微信公众号“差评X.PIN”，作者：纳西，编辑：江江 & 面线，36氪经授权发布。