首批核钟在维也纳和北京开始走时，物理学家等了50年

一种以原子核而非电子来计时的核钟，终于开始滴答作响。在维也纳，一束激光锁定在密封于晶体内的钍核上，在无人干预的情况下自主运行了超过一整天；而北京的一个团队则独立建造了第二台同类型的核钟。

这使得它们成为首批投入运行的核钟——一种物理学家们追寻了数十年的装置。原子核极其微小，且被自身的电子云所屏蔽，因此杂散场、热量和振动几乎无法触及它。基于原子核的时钟有朝一日可能比当前驱动卫星导航、互联网以及定义“秒”的原子钟更加稳定。

维也纳的核钟来自维也纳工业大学托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）团队和德国联邦物理技术研究院（PTB）埃克哈德·派克（Ekkehard Peik）团队。北京的核钟则来自清华大学丁世谦（Shiqian Ding）领导的团队，并与国内其他13家机构合作。两篇论文同时发表在《自然》杂志同一期上，且都使用了同一种稀有同位素——钍-229。

“制造核钟是物理学家们近50年来的梦想，”舒姆对路透社表示。他自己的团队从2008年起就一直在为此努力。

晶体与激光如何计时

每一台时钟都需要一个以固定频率摆动的部件。在摆钟里，它是摆锤；在原子钟里，它是电子在两个能级之间跃迁时吸收的光——在当今最好的光学原子钟中，这种光的振荡频率远高于任何机械部件。

核钟则将这一任务移入原子核内部。质子和中子也有能级，但几乎所有的能级都高得让激光无法触及。钍-229是个例外：它的原子核有一个激发态，其能量低到可以用波长约148纳米的真空紫外光来驱动。但要做到这一点仍然很难。根据PTB的说法，激光必须将跃迁能量匹配到百万分之一电子伏特以内。

舒姆团队生长出掺杂了钍-229的氟化钙晶体——毫米大小的碎片，在室温下容纳了大量原子核。“基本思路很简单：你有一束激光，还有钍，”舒姆说。原子核只在某一精确频率上吸收光。如果激光发生漂移（例如因室温轻微升高），晶体吸收的光就会减少，探测器记录到这一下降，反馈回路便将激光拉回正确频率。原子核成为参考，而校正后的激光频率就是时钟的“滴答”。

两项技术改进使这一切成为可能。PTB和柏林马克斯·玻恩研究所建造了一台紧凑型连续波固态激光器；而旧系统要占据数平方米的光学平台，且只能脉冲发射。团队还不再测量原子核激发后发出的微弱辉光（这需要大约十分钟才能读出，对于反馈控制激光来说太慢），而是测量晶体吸收了多少激光功率——这一信号快到足以闭合反馈回路。

维也纳对阵北京

维也纳核钟在无人值守的情况下连续运行了超过24小时，并与一台传统光学原子钟进行了比对。其1秒平均的分数不稳定度约为3×10⁻¹²，而这一散度在一天内缩小至约10⁻¹⁵。维也纳工业大学将其换算为大约每3000万年误差一秒——这是基于一天运行测量得出的数据，而非观测数百万年所得。

北京核钟在短时间内的稳定性更优。根据《物理世界》报道的数据，其1秒不稳定度比维也纳的低约六倍。丁世谦团队自行建造了功率更大的148.4纳米连续波激光器，并学会了仅用1.4微克钍-229生长出小晶体——因为中国获取该同位素的渠道有限。两个独立生长的晶体给出了相同的跃迁频率，这也与科罗拉多州JILA的早期测量结果一致。

舒姆认为这两个结果是互补的。他告诉路透社，维也纳的晶体钍浓度更高，光学性质更好，而北京团队拥有更强的激光。“所以只要把这些组件组合起来，我们就能建造一台明显更好的核钟，”他说。

“两个团队独立工作，同时实现了可运行的钍-229核钟，采用了不同的实验方法，”丁世谦对路透社表示，并补充说这证明了“这一概念是稳健的”。

这些核钟目前还做不到什么

这两台核钟都未能超越它们所比对的原子钟。“这还没有达到世界最佳光学原子钟的水平，”舒姆说。派克在PTB的公告中说得更直白：其稳定性“尚未创造任何世界纪录”。

最大的差距在于共振的锐度。“我们目前看到了30 kHz的线宽，但自然线宽应该远低于1 Hz，”派克对《物理世界》说。模糊的共振意味着模糊的滴答。晶体本身也是问题的一部分：钍在氟化钙晶格中占据多个不同的位置，团队仍在研究这如何影响共振。丁世谦曾表示，氟化钙基质晶体限制了性能，需要更好的基质材料。

两台机器也都是实验室原型。它们依赖参考时钟进行比对，依赖定制的紫外激光器，以及一种难以获取的同位素。要制造出可供舰船、卫星或数据中心携带的坚固设备，还有很长的工程道路要走。

物理学家为何想要更好的时钟

时钟已经决定了日常生活中比大多数人意识到的更多事情。卫星导航通过信号时间上的微小差异来计算位置。数据网络与原子时间同步。测量人员和地球物理学家利用时钟在地球重力场不同高度以不同速率滴答这一事实。

核钟增加了两个优势。首先，固态设计——无需真空室中捕获的原子或离子——最终可能使精密计时变得更小、更坚固。其次，钍跃迁依赖于原子核内部的力，因此如果自然常数发生漂移，或者某种暗物质对普通物质施加拉力，它应该比原子跃迁反应强烈得多。维也纳团队已经用其原型机进行了这项测试。他们没有发现暗物质信号，但他们对暗物质与光和强力的耦合限制已经可与最佳原子钟设定的限制相媲美。

未参与研究的新南威尔士大学维克多·弗兰鲍姆（Victor Flambaum）称这些装置为“核钟的首批原型”。舒姆的评价更为广泛：“它打开了一个全新的物理宇宙。”

关于核钟的常见问题

什么是核钟？

核钟利用原子核内部的跃迁而非电子能级之间的跳跃来计时。激光被调谐到原子核吸收的精确频率，该频率成为时钟的滴答。钍-229是已知唯一具有低到可用激光触及的跃迁的原子核。

核钟有放射性或危险吗？

它与裂变或聚变无关，不产生核能。钍-229是一种放射性同位素，但核钟只使用极少量并锁定在晶体内部，激光只是将原子核推入稍高的能量状态。

核钟比原子钟更精确吗？

目前还没有。维也纳和北京的原型机稳定性不如最佳光学原子钟。预期是，原子核比电子壳层小得多且屏蔽更好，一旦激光和晶体得到改进，最终将实现更好的性能。

核钟可能用于什么？

研究人员指出可用于卫星导航、网络同步、大地测量和基础物理。由于钍跃迁对原子核内部的力高度敏感，这些时钟也是寻找暗物质和自然常数变化的工具。

更强的激光、更好的晶体、单个离子

钍原子核首次被激光激发是在2024年4月，由舒姆和派克的团队完成——距离派克在2003年提出核钟原理已过去数十年。同年秋天，该装置与一台传统光学原子钟连接。自稳频的维也纳核钟在2026年10月7日发表的《自然》论文中描述，同期还有清华大学的论文，以及PTB和维也纳工业大学关于钍原子核连续激光吸收的配套研究（2026年9月发表于《自然》）。

下一步是具体的。派克团队计划提高激光功率、改善探测器的信噪比，并绘制钍在晶体中的分布图，以找出模糊共振的原因。丁世谦团队正在寻找比氟化钙更好的基质晶体，并对基于单个捕获钍离子的核钟感兴趣——丁世谦称这“技术上要困难得多”，但可能是实现最高精度的途径。

参考文献：Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

标签: 物理学, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, 原子钟