美国加州大学洛杉矶分校（UCLA），近日实现了一项看似不可能的惊人突破，他们让激光进入原子核，并激发中子来测量原子核的能量状态，从而可能让科学家们在时间、引力及其他领域，获得远超电子激发几个数量级的测量精度，人类对时间的掌控，也将由原子钟级进入原子核钟级，有望发现基本物理常数更细微的变化，带来我们对宇宙更深刻的认识，以及更精确的深空导航和通信等现实应用。
简单来说，就像是有个遥远的高等文明，他们通过发射激光来探测我们地球，以前只能观察到整个城市的轮廓，现在通过这种创新技术，他们不仅能看到城市中的某个体育场，还能精确观察到场上某个足球运动员的一举一动，他们对我们的了解是不是一下就豁然开朗了？
此前我们用在GPS卫星等精密系统上的最精确原子钟，如铯原子钟，是通过激发原子外层电子的跃迁来实现的，虽然非常精确，但仍然会受到温度变化、重力、磁场等的影响。
过去数十年来，科学家们一直希望用激光激发原子核中的中子来实现更精确的测量，因为原子核中核力极强，受环境干扰的影响极小。然而用激光驱动这样的核跃迁却一直没有成功过，这主要是因为原子核周围的电子在高速运动，更容易与光子发生作用，吸收或散射大部分入射光，阻止光子到达原子核。
加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授埃里克·哈德森 (Eric Hudson) 领导的团队，将钍-226原子嵌入富含氟的高度透明晶体中，让电子与氟紧密结合，从而允许较低能量的光子到达原子核。
这是因为氟是一种极强的电负性元素，可以形成非常强的化学键。当钍原子被嵌入富含氟的晶体中时，氟原子会与钍的外层电子形成强烈的化学键，被紧密地束缚在氟原子周围，就'像苍蝇被蜘蛛网粘住'一样难以“挣扎”，大大减少了电子的自由度。
而电子被紧密束缚，意味着它们被激发到更高能级需要比平常更多的能量，换句话说，电子的激发能级被提高了。这样较低能量的光子就能'绕过'电子，直接到达原子核。
这就像电子高速运动，在原子核外形成了一层“壳”，光子无论怎样都会撞上被吸收或反弹，现在电子被绑住，原子核就裸露出来了，特定能量的光子就可以直接与原子核相互作用了。这是世界上第一次有人能够用激光直接与原子核进行如此精确的互动。
为什么这很重要呢？因为这意味着科学家们现在可以制造出更精密的“原子核钟”，来测量时间的最微小变化了，有可能比现在最精确的原子钟还要高几个数量级！这种核钟的最现实应用就是卫星导航系统，可能会有数量级的巨大提升，然后就是通讯系统、深空导航等，而且可能更小、更坚固、更便携、更精确。
但它最具影响力的作用，可能是帮助我们更深刻地揭示宇宙奥秘。比如我们宇宙中的各种常数，包括光速、引力常数、普朗克常数等，科学家们已经测量得越来越精确了，如果我们能够把时间的测量精度再提升几个数量级，意味着我们可以察觉宇宙中更细微的变化，有可能发现更基本的宇宙规律，尤其是精细结构常数。
精细结构常数是一个无量纲的物理常数，用于描述电磁相互作用，也就是电子和光子之间相互作用的强度，其值约为1/137（更精确地说是1/137.035999206），在量子电动力学、粒子物理学等领域都扮演着关键的角色。
精细结构常数的值稍有不同，宇宙的结构就可能大不相同。你可以理解为电子可以更靠近或远离原子核，就像宇宙中所有行星，包括我们的地球离太阳更近或更远，无疑将对整个宇宙产生根本性的影响。
此前一些理论和观测已经暗示，精细结构常数可能在宇宙的不同区域或不同时期有着微小的变化。如果这一理论被证实，宇宙各种基本常数就可能是变化的，这意味着我们认识宇宙的基础，包括爱因斯坦相对论在内的各种物理理论都需要进行修正。
所以这项突破性的研究，可能会给科学家们一个全新的显微镜，让我们能够以前所未有的精度来观察和测量我们的宇宙，可能会彻底改变我们对时间、空间，甚至是宇宙本身的认知。
这项研究发表在7月2日《物理评论快报》上。
参考： “Laser Excitation of the Th229 Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host”, 2 July 2024, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.013201
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