时钟是现代物理和技术的基石，因为它们使科学家能够评估基本的科学理论，并使GPS和电信成为可能。目前超精确计时的黄金标准是铯原子钟，它利用原子电子微小而固定的能量跃迁来记录时间。现在，本月早些时候描述的一项研究为新一代计时器打开了大门，这种计时器有望更加精确:核时钟。

　　“核物理一直没有非常精确的测量，只是因为我们没有这种能力，”该研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校的物理学家叶军告诉《科学》杂志的杰伊·班纳特。他的团队的研究发表在《自然》杂志上，标志着物理学家们揭开了世界上第一个钍钟原型的新篇章。

　　“这篇论文是一项令人难以置信的技术成就，”英国杜伦大学的物理学家汉娜·威廉姆斯(Hannah Williams)告诉《量子杂志》(Quanta Magazine)的约瑟夫·豪利特(Joseph Howlett)，她没有参与这项研究。

　　长期以来，人类一直按照规律的现象来计时，从月亮的盈亏到落地式大钟钟摆的缓慢摆动。更高频率的振荡事件，如单个粒子的能量跃迁，改进了时间测量，并为计时带来了更高的精度。

　　以原子为例，原子是物质的基本组成部分，它由原子核和一团可移动的电子云组成。原子钟的关键是电子——为了显示时间，研究人员使用激光诱导电子在两个特定的能级之间来回跳跃。

　　现在，考虑一下原子核——一个由中子和质子组成的微小的静态核心，电子云围绕着它。和电子一样，原子核也有可以在不同能级之间切换的能级。这个致密的心脏几乎包含了原子的全部质量，但只占整个原子空间的十万分之一。在电子云的保护下，原子核不太容易受到环境噪音的影响。因此，与电子相比，核跃迁理论上可以提供一种更精确的方式来保持时间。

　　用原子核制造时钟的挑战在于，激发原子核所需的能量要比激发电子大得多。这种能量需求通常在伽马射线的超高频范围内，超出了普通激光的范围。

　　元素周期表上有一种元素与这种趋势相反:钍-229，它的原子核有两个相似的能级，它们之间的距离足够近，可以用紫外线束来弥补这一差距。“在所有原子核的整个图表中，它是唯一的一个，”加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克·哈德森(Eric Hudson)告诉《量子》杂志(Quanta)，他没有参与这项研究。但首先，研究人员需要确定能够激发钍核的确切能量。而这个价值一直是难以捉摸和模糊的。

　　《科学》杂志写道，在过去一年左右的时间里，世界各地的研究人员在缩小激发钍-229所需的激光能量这一长达数十年的追求中取得了重大进展。去年，欧洲的一个研究小组测量出这种能量差距为8.4电子伏特。几个月后，德国的另一个团队对不确定性进行了筛选，宣布先决能量触发值为8.35574电子伏特。尽管有了这些改进，科学家们仍然需要更精确的测量来建造一个核时钟。

　　在这项新研究中，作者进一步完善了使用频率梳的搜索，频率梳是一种专门的激光，可以作为光频率的测量棒。叶的团队使用的仪器可以产生10万个离散频率的光，就像梳子的细齿一样。

　　研究小组将激光梳对准嵌在氟化钙颗粒中的钍原子，并扫描其频率。

　　最后，在5月接近午夜的时候，叶的研究生张传坤发现了钍-229原子核在两个能态之间交叉的迹象。“大家都睡不着，”他告诉《科学》杂志。广达称，当晚，其他几名小组成员和张一起在实验室庆祝，并在凌晨4点左右拍了一张纪念自拍。

　　多亏了频率梳，叶的团队将钍跃迁的测量精度提高了一百万倍。虽然仍然没有目前的精度记录保持者——由锶原子制成的光学时钟——精确，但钍原型机展示了建造世界上第一个核时钟的所有要素。“这项研究使我们更接近这种精确度，”叶告诉《宇宙》杂志的艾伦·菲迪安。

　　核钟可以为精确测量物理的基本常数铺平道路，而原子钟永远无法做到这一点。基本常数——比如光速——根据物理原理定义了我们的宇宙是如何运行的，但它们可能并不像它们的名字所暗示的那样稳定。一些研究人员提出，这些值可能随着时间的推移而漂移，因为它们所描述的潜在现象会发生轻微的变化。同样的物理原理也决定了钍的跃迁能量，使这种同位素成为一种方便的仪器，可以探测和校准我们物理世界中这些微小的恶作剧。

　　这种精确的计时装置可以测量重力改变时间的微小方式或探测引力波。它甚至可以揭示暗物质——一种神秘的、不可见的物质，大约占宇宙的27%——因为与暗物质的相互作用会改变激发钍-229原子核所需的频率。

　　但要使这一切成为可能，就需要将钍转变的不确定性至少再降低10倍。“剩下要做的就是技术开发工作，”该研究的合著者、维也纳量子科学与技术中心的物理学家托尔斯滕·舒姆告诉《宇宙》杂志。他预计核钟将在两到三年内在精度上超过原子钟。

　　没有了更多的障碍，现在只是为只有核计时才能带来的发现倒计时。

　　“现在好戏开始了，”Hudson告诉Quanta。“我们真的可以做这些事情。”