时钟是现代物理学和技术的基石，因为它们使科学家能够评估基础科学理论，并使 GPS 和电信成为可能。当前超精密的黄金标准计时是铯原子钟，其中原子电子的微小而固定的能量跃迁用于跟踪时间。现在，本月早些时候描述的研究为新一代计时器打开了大门，它有望更加精确：核时钟。

“核物理学还没有成为非常精确测量的主题，只是因为我们没有这种能力，”该研究的资深作者叶军，科罗拉多大学博尔德分校的物理学家告诉科学的杰伊·班纳特。他的团队的研究发表在杂志上自然界，标志着物理学家通过世界上第一个钍钟原型开启了新的篇章。

“这篇论文是一项令人难以置信的技术成就，”汉娜·威廉姆斯英国杜伦大学（Durham University）的物理学家没有参与这项研究，他告诉广达杂志的约瑟夫·豪利特。

长期以来，人类一直为规律的现象计时，从月亮的盈亏到老爷钟中钟摆的平静摆动。更高频率的振荡事件，例如单个粒子的能量转换，可以优化时间测量并提高计时精度。

考虑原子，这是物质的基本组成部分，由一个被移动电子云包围的原子核组成。原子钟的关键是电子——为了报时，研究人员使用激光诱使电子在两个特定能级之间来回跳跃。

现在，考虑原子核——由堆积的中子和质子组成的微小的静态核心，电子云围绕它蜂拥而至。与电子一样，原子核也有可以在其之间切换的能级。这个致密的中心几乎包含了原子的所有质量，但只占据了整个原子空间的 100,000 分之一左右。在电子云的屏蔽下，原子核不太容易受到环境中噪声的影响。因此，与电子相比，核跃迁理论上可以提供一种更精确的时间保持方式。

用原子核制作时钟的挑战在于，激发它所需的能量比电子大得多。这种能量需求通常在伽马射线的超高频范围内，超出了普通激光器的范围。

元素周期表上的单个元素与这一趋势相反：钍 229，它的原子核具有两个相似的能级——彼此足够接近，以至于可以用紫外线来弥合间隙。“在所有原子核的整个图表中，它是唯一的，”埃里克·哈德森，没有参与这项研究的加州大学洛杉矶分校（University of California， Los Angeles）的物理学家告诉量子.但首先，研究人员需要确定能够激发钍核的确切能量。而这个价值一直难以捉摸和模糊。

写道，在过去一年左右的时间里，世界各地的研究人员在数十年来缩小刺激钍 229 所需的激光能量的追求中取得了重大进展科学.去年，欧洲的一个团队测量出这种能源差距为8.4 电子伏特.几个月后，德国的另一个团队降低了不确定性，宣布先决条件是能源触发因素8.35574 电子伏特.尽管有这些改进，科学家们仍然需要更精确的测量来构建核钟。

在这项新研究中，作者使用频率梳进一步改进了搜索，频率梳是一种专门的激光器，可作为光频率的测量棒。Ye 的团队使用的仪器可以产生 100,000 个离散频率的光，就像梳子的细齿一样。

该团队将激光梳训练到嵌入氟化钙颗粒中的钍原子上，并扫描了指示频率。

终于，在接近 5 月的午夜时分，叶的研究生张传坤捕捉到钍 229 核在两种能量状态之间交叉的迹象。“没有人能睡着，”他说科学.根据量子当晚，其他几位小组成员在实验室与张同学一起庆祝，团队在凌晨将近四点钟拍了一张纪念自拍。

多亏了频率梳，Ye 的团队将钍跃迁的测量精度提高了 100 万倍。虽然仍然不如目前的精度纪录保持者——光钟由锶原子制成——钍原型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那个精确水平，”Ye 说宇宙' 艾伦·菲迪安。

核时钟可以为测量物理学的基本常数铺平道路，其精度是原子钟永远无法做到的。基本常数——例如光速——定义了我们的宇宙如何根据物理学原理运作，但它们可能并不像它们的名字所暗示的那样坚定不移。一些研究人员提出，这些值可能会随着时间的推移而漂移，因为他们描述的潜在现象会略有变化。量子.相同的物理学也决定了钍的跃迁能，使同位素成为检测和校准我们物理世界中这些微小恶作剧的便捷量规。

这种精确的计时装置可以测量引力改变时间或探测引力波的微小方式。它甚至可以揭示暗物质——构成大约占宇宙的 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十倍。“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物理学家托尔斯滕·舒姆告诉宇宙.他预计，核钟的精度将在两到三年内超过原子钟。

由于看不到更多的重大障碍，现在只是对只有核计时才能带来的发现的倒计时。

“现在乐趣开始了，”哈德森说量子.“我们实际上可以做这些事情。”