为何要把“钟”做进原子核？

　　【新知解码】　

　　时间计量，本质上就是找一个足够稳的“节拍”来计数。清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦说：“时间是人类测量得最精确的物理量，精度远高于其他物理量。物理学上想把一个量测准，通常都会想办法把它转换成对时间的测量。时间，处在一个特殊的地位上。”

　　目前最精确的原子光钟，数的是原子内部电子跃迁的“节拍”，已经准到运行千亿年误差不超过一秒。但要把原子光钟做到极高精度，需要精细控制电场、磁场、温度以及激光系统等带来的各种扰动，因此目前性能最高的原子光钟仍主要运行在实验室中，其小型化和工程化仍面临挑战。

　　核光钟换了一个频率参考。它数的不是电子跃迁，而是钍-229原子核内部的跃迁频率。丁世谦说：“核光钟跟原子光钟的区别，就是频率参考不再用电子跃迁频率，而是用原子核内的跃迁频率。原子核比原子小了四五个数量级，而且质量比电子重得多，这导致跃迁频率更稳定，对周围电磁环境不敏感。”

　　他进一步解释：“正因为不敏感，我们甚至可以把钍-229原子掺杂在固体里面，做成方便搬运的固体核光钟。这就意味着，我们终于有望能把极高精度的计时装置从实验室里拿出来。”由此，核光钟被视为继原子微波钟、原子光钟之后的新一代时间频率标准，也是当前量子精密测量领域国际竞争的前沿。同时，钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应格外敏感，可为检验基本物理规律提供新的探测手段。

　　那么，为什么核光钟非钍-229不可？丁世谦说：“已知的20万个原子核激发态，跃迁能量几乎都在万电子伏以上，对应的激光波长在0.1纳米以下。这个波段，现有技术根本不知道怎么做激光器。钍-229是一个极其特殊的例外——它的跃迁能量只有8.4电子伏特，对应148纳米。这使得钍-229成为目前唯一已知的可以用激光操控的原子核跃迁，也是目前唯一有可能做核光钟的候选者。”这也正是核光钟被看作新一代时间标准的原因——它不仅有望更准，更意味着人类对量子世界的操控从电子尺度深入到了原子核尺度。核光钟打开的，不只是一条新的计时路径，更是一扇观察基本物理规律的新窗口。

　　（本报记者 邓晖）