比原子钟更精确的计时器
今天，世界上最精确的计时器被称为原子钟。它有多精确？如果让它从宇宙大爆炸之初就开始计时，一直走到今日，误差也不会超过1秒！
原子钟利用的是电子的能量跃迁来计时。根据量子物理学，原子中的电子在特定的能级上只能携带一定量的能量。为了使原子中的电子从一个能级到达另一个能级，必须用适当频率的激光照射原子。
就像原子中的电子一样，原子核中的质子和中子也占据着离散的能级，因此原子核也有类似的跃迁。这种跃迁有望带来一种比原子钟更精确的时钟——核钟。然而，建造核钟却是项非常艰巨的任务，因为观察这种核跃迁并精确地知道能级的能量差，是极其困难的。
现在，一项新发表于《自然》杂志的研究表明，一个科学家团队已经实现了这一壮举，他们探测到了这种跃迁发射出的光子，为核钟的发展迈出了至关重要的一步。
理想的同位素：钍-229
核钟的计时原理与原子钟非常相似，它是通过用与原子核的两个能级之间的能量差精确对应的光波，来诱发原子核的能量跃迁。但问题是，对大多数原子核来说，这种诱发需要比激光更高能的光才能实现。不过，科学家发现有一种元素例外，那就是放射性同位素，钍-229。
钍-229中有一对能量足够接近的相邻能级，其激发态的能量仅比它的基态高8电子伏特左右。这是非常微小的能量差异，用激光就可能激发能级跃迁。然而，遗憾的是，物理学家还没能制造出可以激发钍-229的核跃迁的激光。一个主要原因就在于，他们并不知道这种核跃迁能量的确切值。
核跃迁的一个特征是发射光子，通过测量这个光子，可以精确地测得核跃迁的能量。但这个光子非常难以捕捉，因为在通常情况下，钍发射一个电子的概率是发射一个光子的10亿倍。
现在，在新研究中，物理学家通过改变钍-229发射光子的概率，终于捕捉到了这种神秘莫测的光子。
捉住那个光子
目前，在缺乏合适激光的情况下，物理学家主要采用的是通过铀-233的α衰变的放射性过程来激发钍-229的核跃迁，但这是一种非常低效的方法。为了更有效地激发钍-229，这次研究人员采用了一个不同的过程，即锕-229的β衰变。
利用欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理实验室的ISOLDE设备，研究人员将含有钫-229和镭-229的同位素原子核束发射到氟化钙和氟化镁晶体上。钫-229和镭-229通过β衰变产生锕-229原子核，接着锕-229也会经历β衰变，成为放射性的钍-229。
钍-229会取代氟化钙和氟化镁晶体中的一些原子，并主要通过发射光子衰变到基态。这些晶体对核跃迁发射的光子来说是透明的，换句话说，被发射的光子可以不受干扰地离开晶体，被探测器捕捉。
晶体的这种特质可以产生足以被观测到的信号，使得研究人员有了捕捉这种光子的能力，并以足够精确的方式对其进行测量。研究表明，他们能以不确定性仅为以前的测量的1/7的精确度来确定光子的频率。这一频率正是用于激发钍原子核的核跃迁所需的激光频率。
核钟的里程碑
这项工作对于核钟的发展来说是一个重要的里程碑，它标志着科学家已经对钍原子核的能级足够了解。
现在，已经有研究团队开始尝试建造可以激发核跃迁的激光。一旦成功，科学家将有望从新建成的核钟中，获知大量原子核的内部运作信息，甚至新的物理学效应。
将这种核与现有的原子钟进行比较，以便在量子领域或相对论中寻找新的物理效应，这将是一件有趣的事情。在核尺度上起作用的力，如强力和弱力，与作用在原子钟上的力不同，因此任何差异都可能暗示着新的物理学。如果能控制它到这样一个程度，可以看到光子的信号出来，这对于考虑建造一个核钟来说是一个重要的里程碑。
到那时，核钟的性能会超越现有的原子钟吗？这仍是一个没有答案的问题，但这种比较将会是一件有趣的事。随着原子钟精度的不断提高，很可能会有一场计时器竞赛，而成败可能就取决于能够激发钍-229中的核跃迁的激光的发展。
#创作团队：
撰文：二宗主
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.newscientist.com/article/2375291-nuclear-clocks-could-be-the-best-timepiece-in-the-universe/
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01631-8
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05894-z
#图片来源：
封面图&首图：tommyvideo / Pixabay
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