比原子鐘更精確的計時器

今天，世界上最精確的計時器被稱為原子鐘。它有多精確?如果讓它從宇宙大爆炸之初就開始計時，一直走到今日，誤差也不會超過1秒!

原子鐘利用的是電子的能量躍遷來計時。根據量子物理學，原子中的電子在特定的能級上只能攜帶一定量的能量。為了使原子中的電子從一個能級到達另一個能級，必須用適當頻率的激光照射原子。

就像原子中的電子一樣，原子核中的質子和中子也占據著離散的能級，因此原子核也有類似的躍遷。這種躍遷有望帶來一種比原子鐘更精確的時鐘——核鐘。然而，建造核鐘卻是項非常艱巨的任務，因為觀察這種核躍遷并精確地知道能級的能量差，是極其困難的。

現在，一項新發表于《自然》雜志的研究表明，一個科學家團隊已經實現了這一壯舉，他們探測到了這種躍遷發射出的光子，為核鐘的發展邁出了至關重要的一步。

理想的同位素：釷-229

核鐘的計時原理與原子鐘非常相似，它是通過用與原子核的兩個能級之間的能量差精確對應的光波，來誘發原子核的能量躍遷。但問題是，對大多數原子核來說，這種誘發需要比激光更高能的光才能實現。不過，科學家發現有一種元素例外，那就是放射性同位素，釷-229。

釷-229中有一對能量足夠接近的相鄰能級，其激發態的能量僅比它的基態高8電子伏特左右。這是非常微小的能量差異，用激光就可能激發能級躍遷。然而，遺憾的是，物理學家還沒能制造出可以激發釷-229的核躍遷的激光。一個主要原因就在于，他們并不知道這種核躍遷能量的確切值。

核躍遷的一個特征是發射光子，通過測量這個光子，可以精確地測得核躍遷的能量。但這個光子非常難以捕捉，因為在通常情況下，釷發射一個電子的概率是發射一個光子的10億倍。

現在，在新研究中，物理學家通過改變釷-229發射光子的概率，終于捕捉到了這種神秘莫測的光子。

捉住那個光子

目前，在缺乏合適激光的情況下，物理學家主要采用的是通過鈾-233的α衰變的放射性過程來激發釷-229的核躍遷，但這是一種非常低效的方法。為了更有效地激發釷-229，這次研究人員采用了一個不同的過程，即錒-229的β衰變。

利用歐洲核子研究中心(CERN)粒子物理實驗室的ISOLDE設備，研究人員將含有鈁-229和鐳-229的同位素原子核束發射到氟化鈣和氟化鎂晶體上。鈁-229和鐳-229通過β衰變產生錒-229原子核，接著錒-229也會經歷β衰變，成為放射性的釷-229。

釷-229會取代氟化鈣和氟化鎂晶體中的一些原子，并主要通過發射光子衰變到基態。這些晶體對核躍遷發射的光子來說是透明的，換句話說，被發射的光子可以不受干擾地離開晶體，被探測器捕捉。

晶體的這種特質可以產生足以被觀測到的信號，使得研究人員有了捕捉這種光子的能力，并以足夠精確的方式對其進行測量。研究表明，他們能以不確定性僅為以前的測量的1/7的精確度來確定光子的頻率。這一頻率正是用于激發釷原子核的核躍遷所需的激光頻率。

核鐘的里程碑

這項工作對于核鐘的發展來說是一個重要的里程碑，它標志著科學家已經對釷原子核的能級足夠了解。

現在，已經有研究團隊開始嘗試建造可以激發核躍遷的激光。一旦成功，科學家將有望從新建成的核鐘中，獲知大量原子核的內部運作信息，甚至新的物理學效應。

將這種核與現有的原子鐘進行比較，以便在量子領域或相對論中尋找新的物理效應，這將是一件有趣的事情。在核尺度上起作用的力，如強力和弱力，與作用在原子鐘上的力不同，因此任何差異都可能暗示著新的物理學。如果能控制它到這樣一個程度，可以看到光子的信號出來，這對于考慮建造一個核鐘來說是一個重要的里程碑。

到那時，核鐘的性能會超越現有的原子鐘嗎?這仍是一個沒有答案的問題，但這種比較將會是一件有趣的事。隨著原子鐘精度的不斷提高，很可能會有一場計時器競賽，而成敗可能就取決于能夠激發釷-229中的核躍遷的激光的發展。