要测量时间，你需要一个恒定的节奏。在漫长的岁月中，太阳和月亮的规律运动为地球上的一切生命设定了节奏。但经过数千年的发展，人类已经寻求并找到了更可控和精确的方法，例如摆锤的摆动或水流和焚香燃烧的速度。如今，大多数电子钟表都测量石英晶体的稳定振动。
但即使是最好的起搏器也会漂移；以某种形式，逐渐累积的混乱最终会破坏任何计时系统的秩序。例如，一个月的温度和运动变化就足以使石英表偏离15秒。为了寻求真正恒定的“滴答”，科学家们将目光投向了原子世界，在那里，微小的尺度和原子不变的物理特性使得时间可以被切割成更小、更稳定的增量。由此产生的原子钟设定了当今的官方国际时间，其精确度令人震惊，每1亿年才损失约一秒。
几十年来，物理学家们一直试图通过进一步放大，超越原子外层电子壳层，进入更小、缠绕更紧密的原子核中心，来摆脱污染时钟的噪声。现在他们终于成功了。国际科学家团队在科罗拉多州博尔德市创建了世界首个核时钟，相关细节发表在《自然》杂志上。尽管这款特殊的计时器目前还没有其最佳原子伙伴那样精确，但这项技术可能很快就会打破精确计时记录，并大大改善GPS和深空导航。
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在原子核内进行如此精确的测量，或许能让物理学家们进入广阔的、未被探索的物理世界领域。“这将真正打开一扇新的窗口，让我们得以观察自然界的基本规律，”德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家何塞·R·克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚说道。他没有参与这项新研究，但与人合著了一篇评论文章，发表在同一期《自然》杂志上。
原子钟和核时钟的核心工作原理相同。当原子被能量恰到好处的光子击中时，就会变得“激发”——也就是说，特定能量水平或频率的光波。哪个微小的频率范围会奏效取决于目标原子的类型，但对于特定元素的原子来说，这个范围保持不变。“一个铯原子或一个钠原子在宇宙中任何地方都是相同的，或者至少我们是这样认为的，”克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚说。
在20世纪40年代，科学家们意识到，这种宇宙常数可以用来测量时间，而不会产生与其他物理时钟相关的混沌噪声。光子以波的形式传播，其频率只是衡量每秒通过给定点的波周期数。因此，你可以通过计算具有已知固定频率的激光束的波来确定时间的流逝。科学家们发现的最佳方法是用超精密激光照射原子，激光的精确频率作为时间的恒定测量值，从而激发原子。
自从1949年第一个原子钟建成以来，这个过程变得越来越复杂。世界上最精确、最准确的原子钟，即博尔德市JILA的超冷锶原子钟，就像一个可以计算十亿分之一纳秒的秒表，或者小数点后18位的秒表。它每400亿年才损失一秒。
但物理学家们长期以来梦想着更完美的东西。如果他们可以激发的不是整个原子，而是深藏在内部的原子核呢？原子核包含原子99.99%的质量，但却非常微小；如果原子像一个美式足球场那么大，那么它的原子核就只有弹珠那么大。激发如此微小而沉重的东西需要数千或数百万电子伏特的能量，通常以光子的形式，这些光子被精确调谐到极其特定的频率。正是这种难度使得核时钟比原子钟的漂移更小，每秒“滴答”次数更多。不幸的是，没有台式激光器能够产生足够的能量来激发绝大多数元素中的原子核。
然而，有一个例外：稀有的放射性同位素钍-229。这种同位素仅需约8电子伏特的能量即可跃迁到激发态，物理学家们不知道为什么。“它的[跃迁能量]非常低，以至于核物理学家实际上不知道该如何处理它，”维也纳技术大学的物理学家、共同作者托尔斯滕·舒姆说。
这个例外为核时钟的建造者提供了一个黄金机会。但是，尽管钍-229的跃迁能量在技术上是可以达到的，但他们必须首先找到它。只有极小的能量范围才能激发原子核，缩小这个范围需要构建全新的激光系统，以及全球物理学家多年来的巧妙试验和错误。
“这就是‘大海捞针’的问题——尽管就数量级而言，大海捞针比我们所做的要容易得多，”舒姆说。
研究人员还必须找到一种方法来保持钍-229原子的静止。虽然许多原子钟使用电磁场将单个原子悬浮在真空中，但建造核时钟的物理学家们知道，如果他们能一次击中多个原子核，成功的机会会更大。舒姆的团队将数万个钍-229原子核嵌入透明晶体中，使得更多的原子核可以一次被激光击中，并增加了某些原子核跃迁到激发态的可能性。
就在过去一年里，所有这些必要的发现终于开始汇聚。今年5月，舒姆的团队将钍晶体运送到物理学家Jun Ye在博尔德的实验室，该实验室运行着超冷锶原子钟。那里的研究人员开发了一种先进的激光系统，可以将剩余可能的频率范围缩小到一个精确的答案。这种激光系统还可以将核“滴答”与原子钟同步，使原子钟与核时间保持同步。
博尔德团队用其特殊的激光系统照射晶体，扫描不同的频率。来自受激钍的微弱、明显的紫外线辉光将是核跃迁成功的唯一迹象。然而，几周以来，研究人员一无所获。
“当我们看到信号的第一个迹象时，已经接近午夜了，”在科罗拉多大学博尔德分校Ye实验室研究激光物理学的博士生张传坤说。“实验结束后，没有人能睡得着。”相反，团队花了那些没有阳光的凌晨时间来验证他们的结果。大约凌晨4点左右，结论已经非常明确：张和他的团队成功地激发了钍-229原子核，并将他们的频率测量与JILA的原子计时器同步，创造了世界首个核时钟。目前，它在精度方面还达不到世界纪录，因为它只读出频率测量的12位数字，而锶原子钟为18位。
“这首次实现并不是关于‘哦，他们只得到了12位数字。’第一次实现是‘哦，他们让这东西运行起来了，’”克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚说。虽然技术挑战仍然存在，主要涉及激光系统，但“人们相信这些挑战可以在几年内被克服”，届时核时钟将在精确度和准确度方面超越原子钟。他说，达到20甚至21位数字的测量是可能的。
“这是一项漂亮的工作，”加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克·哈德逊说，他的团队也在努力缩小跃迁频率并生长钍晶体。哈德逊对该团队创建的基于晶体的或“固态”时钟最感兴趣，该时钟将原子核捕获在原位，而不是用电磁场使其悬浮。“这可能会产生一种更便携、更坚固的时钟，可以走出实验室，走向现实世界，”他说。
这种便携式核时钟可以在GPS卫星或航天器导航系统中找到应用。GPS卫星通过测量信号传输时间的微小差异来三角定位设备的位置。这项技术目前对于非军事应用来说，精度可达几米。舒姆说，这对于自动驾驶汽车或可以帮助盲人或弱视人士导航的定位技术来说，精度太低了。“迫切需要将定位精度提高到厘米级或毫米级，因为这样就会发生质的变化。”
在更基础的层面上，核时钟提供了一种全新的方式来研究我们周围看不见的力量和粒子。原子钟测量的频率来自电子的碰撞，这意味着它们受制于人们熟知的电磁力。但核时钟的滴答声来自一个相对未知的领域——将原子核结合在一起的神秘强力领域。物理学家通常假设这两种力在时间推移中保持不变，但他们还没有能够严格地测试这是否属实，张说。然而，通过比较原子钟和核时钟的输出，原则上，他们可以追踪这两种力是否真的不变。
这种核探针也可能揭示关于暗物质的信息，尽管暗物质占宇宙物质的85%，但仍然难以捉摸。“我们对暗物质的困难在于它不与我们已知的事物相互作用，因此我们还没有[成功的]探测器，”舒姆说。但如果暗物质与原子核的相互作用与它与整个原子的相互作用不同，那么这些差异可能会在核时钟和原子钟的比较中显现出来。
“所有那些尚未得到很好解释的力量，或者其起源尚不清楚的力量，都可能出现在时钟频率的比较中，”克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚说。如果它们的速度相对于彼此发生变化，那么寻找稳定计时器的科学家们可能会发现，根本没有这样的东西。
本文的一个版本题为“核时间”，改编后收录在2025年1月刊的《大众科学》杂志中。本文反映了该版本，并增加了一些为印刷版删节的材料