或許，除了物理學(xué)家，不會有人對定義“一秒鐘”如此執(zhí)著。

2024年9月4日，《自然》雜志刊登了一篇封面論文，標題是《釷–229m異構(gòu)體的核躍遷與鍶–87原子鐘的頻率比》。

而在同一天，《科學(xué)》雜志官網(wǎng)刊出評論文章，稱該成果“有望將超精密核鐘帶入新時代的突破”。更有網(wǎng)友聲稱，此成果論文作者，美國科羅拉多大學(xué)的葉軍團隊，有望在未來獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

那么，到底是什么研究能讓《自然》《科學(xué)》兩大頂級期刊聯(lián)袂推薦？這個“核鐘”能為“一秒鐘”的定義帶來什么不同？

定義“一秒鐘”：一天的1/86400？

大眾眼中，“一秒鐘”就是鐘表上的秒針走過“一格”的時間。它走過60格，一分鐘過去了；走過3600格，一小時過去了；走過86400格，一天就過去了……

一切看起來是那么理所當然，因為地球就是這樣自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的。當一天過去，太陽又會正對同一處地方——86400秒就是這么長。

但問題是，由于潮汐作用、太陽質(zhì)量變化，以及其它天體的引力等因素，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期的變化雖然微小，但也的確存在。

人們靠“天”來定義“一秒有多長”，好像并不總是那么長。

于是，在20世紀，物理學(xué)家從宏觀走向微觀，從經(jīng)典物理來到量子世界，發(fā)現(xiàn)原來自然界中還存在一種超級“時鐘”，它遠比天體運動更為穩(wěn)定。

它定義的一秒鐘是：銫–133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9192631770倍的時間。雖然這對普通人來說，可能難以理解，但卻成了物理學(xué)家研究時空性質(zhì)的強力工具。

畢竟，誰不想在咫尺之間，測出由地球所導(dǎo)致的引力紅移呢？

引力紅移是指由于引力場的存在，從引力場中發(fā)出的光或其他電磁輻射的頻率在遠離引力場時會降低，波長變長，從而向光譜紅端移動的現(xiàn)象，是由愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的現(xiàn)象之一。如果能夠觀測到引力紅移，就是對廣義相對論強有力的一個驗證。

而由于地球引力場相對較弱，導(dǎo)致紅移效應(yīng)在咫尺之間非常微小。在實驗室條件下，即使是非常精確的儀器，也很難檢測到這種微小變化。因此，這也是眾多科學(xué)家們努力想解決的一個問題。

原子鐘和光鐘更精確！但……最精確嗎？

2022年2月17日，《自然》雜志封面論文《Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample》表示，即便高度只相差1毫米，時間流逝的不同也能被測量出來。

論文作者，同樣是科羅拉多大學(xué)的葉軍團隊，通過測量1毫米厚度的鍶–87原子團（約10萬個原子）的躍遷頻率，發(fā)現(xiàn)最上層和最下層原子的躍遷頻率出現(xiàn)了約一千億億分之一的差別。

這個數(shù)值意味著，3000億年后，最上層的原子所經(jīng)歷的時間會比最下層的多一秒。這是人類首次在毫米尺度上，驗證了廣義相對論所預(yù)言的引力紅移效應(yīng)。

而這一切的前提，則是對單位時間（即“一秒鐘”）的定義足夠精確，才能讓我們分辨出最最微小的時間差別。

前面提到，銫–133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波（微波）周期的9192631770倍就是“一秒鐘”，而以銫–133的躍遷頻率為基準，同樣能用葉軍團隊所用的鍶–87來做定義：

鍶–87原子在5s21S0和5s5p3P0能級間躍遷時所輻射的電磁波（可見光）周期的429228004229873.4倍的時間，便是“一秒鐘”。

這看起來好像很復(fù)雜，但無需過多糾結(jié)，只需知道，原子中的電子在不同能級之間躍遷時會釋放出電磁波，電磁波的頻率只和躍遷初末態(tài)的能級有關(guān)，因為它極其穩(wěn)定，因此便成了物理學(xué)家用來計時的首選。

而當計時裝置所用的原子在躍遷時釋放的電磁波在微波波段時，便是原子鐘（atomic clock）；當躍遷釋放的電磁波在可見光波段時，便是光鐘（optical clock）。

理論上來說，光鐘比原子鐘更為精確，因為前者釋放的電磁波具有更高的頻率，更窄的線寬。

高頻意味著可以在單位時間內(nèi)測出更多的周期，從而能更精確地得出單個周期的用時；窄線寬意味著頻率的不確定度更小，這進一步提升了所定義時間的精度。

如此看來，即便同是量子尺度下的時鐘，也存在著不同的表現(xiàn)，更別提磁場、溫度、震動等外界因素會放大這種不同了。

那么，是否存在更為穩(wěn)定的、對外界更不敏感的、能把“一秒鐘”定義的更加精確的工具呢？

有！那便是核鐘。

核鐘的原理是什么？

早在1996年，俄羅斯物理學(xué)家Eugene V.Tkalya就提出了將“核激發(fā)”作為計時用的高穩(wěn)定光源的想法。

所謂“核激發(fā)”，類似于核外電子在吸收能量后躍遷至更高能級，使原子處于激發(fā)態(tài)的過程。原子核自身在吸收特定的能量后，也有可能處于更高能量的狀態(tài)。

同樣地，原子核在受激躍遷的過程中，也會輻射出一定能量的電磁波。

既然原子的受激輻射能做原子鐘、光鐘，原子核的受激輻射為什么不能做“核鐘”呢？

基于這樣的想法，科學(xué)家們研究起核鐘的可行性。慢慢地，他們發(fā)現(xiàn)，不同于原子鐘和光鐘常用的銫–133和鍶–87，想要造核鐘，目前只有釷–229原子核可行。

因為除了它，其他原子核在不同能級間的躍遷能量太高，導(dǎo)致輻射出的電磁波頻率太高，無法被測量以用于計時。

而本文開頭所說的、葉軍團隊論文中的“釷–229m異構(gòu)體”，便是釷–229原子核的一種激發(fā)態(tài)，其與基態(tài)間的能級差約為8.3557eV，對應(yīng)輻射出的電磁波處于紫外波段。

這與原子鐘和光鐘內(nèi)的輻射電磁波相比，頻率更高，但又幸運地在儀器可測量的范圍內(nèi)。因此，從理論上來說，若用它來計時，將能達到更高的精度。

此外，相比于原子中的核外電子，原子核本身受磁場、熱輻射等外部因素的干擾更小，這就像一個在風雨天打傘的人，當一陣風吹來（外部擾動），傘（電子）的晃動程度一定比人（原子核）大。

因此，與原子鐘和光鐘（置于真空和近乎絕對零度的超低溫環(huán)境）相比，核鐘對環(huán)境的要求更低，也更具穩(wěn)定性。

行文至此，我們已經(jīng)知道了核鐘在精密測量領(lǐng)域的重要價值。那么，它到底有多強呢？

理論上來說，它的精度能達到10-19的水平，比目前最好的光鐘精確約10倍。

什么概念呢？3000億年不差一秒！

核鐘，終于要來了嗎？

在葉軍團隊的實驗中，釷–229被摻雜在氟化鈣（CaF2）單晶體中，摻雜濃度為5×1018/cm3，這意味著，每立方厘米的晶體內(nèi)，含有五百億億個釷–229原子。

為了激發(fā)釷–229原子，他們用真空紫外激光（VUV laser）照射該晶體，當其中出現(xiàn)熒光閃爍時，意味著激發(fā)成功，即進入釷–229m態(tài)。

之后，便是利用濾波片（過濾背景光）和光電倍增管收集輻射出的熒光光子，并對其頻率進行測量。

整個實驗控制在151K，也就是約零下122℃的環(huán)境中。很明顯，這要比原子鐘和光鐘所需的絕對零度，也就是約零下273℃要容易操作得多。

最終，葉軍團隊測量出了釷–229核躍遷的輻射頻率——2020407384335(2)kHz，其與鍶–87原子躍遷的輻射頻率的比值約為4.7。

這也就意味著，倘若仍然以銫–133的原子躍遷頻率為基準，但以釷–229核躍遷頻率來定義一秒鐘，則有：

釷–229原子核在釷–229m和釷–229基態(tài)間躍遷時所輻射的電磁波（紫外光）的周期的2020407384335000倍的時間，便是一秒鐘！

當然啦，這個結(jié)果還存在不少誤差，不能被用于官方定義。但即便如此，相較以往，葉軍團隊也將核鐘的精度提高了約6個數(shù)量級，達到了10–12的水平。

因此，雖然我們還未抵達理論所預(yù)言的終點——正如《科學(xué)》雜志所言，葉軍團隊的成果有望將超精密核鐘帶入新時代，是“有望”，而不是“已經(jīng)”，且無論他未來能否受到諾獎青睞，這仍是跨越了一大步的研究成果！

咱們家用的鐘表，哪怕兩天誤差1秒，也完全夠用了；北斗衛(wèi)星上的銣原子鐘，300萬年誤差1秒，也足夠精確了。

對于普通人來說，無論是核鐘、光鐘還是原子鐘，它們真的沒有任何區(qū)別。直到地球死去、星系崩塌，這個“表”還差不了“一秒”的目標，對于人生而言，好像一點都不重要。

的確，從功利的角度講，我們很難解釋再去追求更高精度的計時有什么實際意義。

這就像回答“在1毫米的尺度上，驗證引力紅移有什么意義？”“利用（未來）核鐘的頻率穩(wěn)定性，去尋找暗物質(zhì)粒子有什么意義？”一個道理。

我不想給出“等待未來應(yīng)用”這類回答。因為在我看來，研究它們，或者說研究數(shù)學(xué)、物理學(xué)中基本事實的最大意義，就是為了我們?nèi)祟愖陨�，為了我們認知的“進化”。

作者：理論物理學(xué)博士李華東

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