把“一秒”定义到原子核，分几步？丨对话丁世谦

“时间，是目前人类测得最准的物理量。” 2026年10月末，在2026世界顶尖科学家论坛现场，丁世谦向南方周末研究员介绍。

这位清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员，研究领域横跨原子物理、光学与核物理，聚焦核跃迁的激光直接探测与调控、核光钟以及基础物理的精密检验，并刚刚获得世界顶尖科学家论坛首届“青年科学家奖”，是六位获奖者之一。

作为目前人类定义时间的最小单位，一秒，到底是什么？

1967年以来，国际计量大会用铯元素在自然界中唯一存在稳定同位素铯-133的原子来定义时间单位“秒”，铯-133原子基态两个超精细能级之间跃迁辐射的频率是固定的，它们每震荡91.92631770亿次，就是一秒。

丁世谦和他的团队，想让这一秒再准一点，用原子核来计时。他们从原子外围的电子沉进原子核里，做出“核光钟”。相比传统原子钟，原子核更小、更稳、更不怕外界干扰，理论上能把时间测得更稳更准——导航、引力波探测、基础物理常数测量，都可能因此重写。

他们使用了钍-229，一种极为稀缺的放射性同位素，也是目前已知唯一可通过激光直接操控核跃迁的同位素，对应波长148纳米，属于真空紫外光。

1976年，物理学家在钍-229的衰变谱里发现一个反常低能级，可能由激光触发低能核跃迁；此后半个世纪，从德国二十多年前提出的“核光钟”设想，到2024年在固态晶体中首次激发核跃迁、叶军团队精确测定频率，再到148纳米连续波激光问世，核光钟一直卡在“看得见与还没跑起来”之间。

2026年10月7日，《自然》（Nature）同时刊发两项独立成果，补齐了最后一块拼图。丁世谦团队与另外一支欧洲团队分别把激光主动锁定到钍-229核共振上，人类首次实现核光钟闭环运行。

丁世谦团队在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，联合上海硅酸盐所苏良碧团队长出无气泡掺钍-229氟化钙晶体，并开发核跃迁吸收光谱技术从噪声里快速拽出微弱核信号——团队仅用1.4微克钍-229（用量约为欧洲团队1/200），实现核光钟的稳定运行。

丁世谦介绍，“核光钟用原子核的跃迁作‘钟摆’，每秒大约2000万亿次。”

以下是南方周末研究员与他的对话。

丁世谦在2026世界顶尖科学家奖颁奖典礼上发表感言。会议主办单位供图

闲聊中“种下一颗种子”

南方周末：核光钟是怎么进入你的视野的？

丁世谦：我最早听到这个概念，还不是明确的“核光钟”，而是钍-229核跃迁的激光光谱。这得从我的博士生导师Alex Kuzmich说起，他现在是密歇根大学安娜堡分校的物理教授，2007年前后就开始研究钍-229了。我从他那儿听说过这件事。

我读博期间，他学术休假来我们实验室，就坐在我旁边。我们什么都聊，不全是科学，奇奇怪怪的话题都会讨论。有一次就提到了他做钍-229的工作，是以讲笑话的方式讲的——说钍-229有放射性，需要面对一些奇怪的监管。

（注：学术休假，通常是教师、科研人员暂时减少教学、行政等日常工作，集中做研究、访学、进修或撰写论文的带薪离岗期。）

大家闲聊而已。但回头看，这件事让我很早就对这个领域有熟悉感，在我心里“种下一颗种子”。

南方周末：这颗种子什么时候开始“发芽”？

丁世谦：当时我确实没想去做这个东西。刚听说一个东西就把自己的职业生涯押上去，那不太正常。陌生会带来恐惧，但因为听说过、不陌生，后面就相对容易迈出那一步。

还有一个关键节点是2018年春天，当时我们激光冷却分子取得了很好的进展，我跟叶军老师聊下一步的计划。他问我接下来想做什么？我说想去做核光钟。

（注：叶军是美国科罗拉多大学博尔德分校JILA研究所教授，锶原子光晶格钟系统的奠基者之一，也是丁世谦的博士后导师）

叶老师是世界顶级的科学家，他对新东西非常开放，鼓励我去尝试。这一点跟我在其他人身上看到的很不一样——不少人一听说你没拿到长聘就要做这么新的东西，第一反应是觉得风险太大。叶老师的职业生涯里，从来不去做别人已经做过的事，他永远在做那些真正有价值、能推动学界进展的事情。在他身边待了五年，看他怎么选题目，对我启发非常大。

南方周末：这种师徒传承，给了你底气？

丁世谦：对，在他（叶军）组里建立起来一种自信。如果没有在叶老师手下做过学生，我可能会想：这个问题很重要，也非常难，轮不到我去做。

但在叶老师组里待过——用一个通俗的词，他的江湖地位在那里——你就会觉得，这种难题就应该由他组里出来的人来解决。

南方周末：核光钟闭环运行有很多道关，148纳米连续波光源、掺钍氟化钙晶体、核跃迁吸收信号快速读出，再把信号反馈回去锁频。哪个环节是最难的？

丁世谦：我觉得最难的应该是激光。148纳米连续波之前没有人做成过，世界上完全没有先例，大家根本就不知道要怎么做，有很大的不确定性。

我刚回国时，有人问我核光钟什么时候能做出来？我说10年内别问我这个问题，太伤感情了！当时最大的卡点就是没有激光。没有操控原子核的工具，谈其他所有事情都太远了，不靠谱。

当然晶体也比较困难。好在国外已经有团队做出来了，这条路能走已经是清晰的了。但是国外的团队也想做第一台核光钟，在他们做出来之前，也不大可能把晶体给我们。

南方周末：因为钍-229只有一点点？

丁世谦：对，我们穷尽了各种办法，只找到了1.4微克。我们现在知道1.4微克就够了，但在当时，这么少到底行不行？不确定。

我经常说一句话：当你知道一件事可行的时候，那这件事情已经完成了95%，剩下的只是花时间把它做出来。

（注：钍-229是稀缺的放射性核素，全球全部存量仅几十克，主要在美国，但是对中国进行出口管制。）

南方周末：如果三次没有把晶体长出来，项目是不是就直接黄了？

丁世谦：没有三次，我们只有一次机会。我们找到了非常好的合作团队。我们团队和上海硅酸盐研究所苏良碧团队一起，用这1.4微克长出了一块氟化钙晶体，效果很不错。那块晶体没有气泡，透明度也很好。这样，激光和晶体这两个条件都具备了。

当然我们还开发了一项新技术，叫核跃迁吸收谱，因为之前领域内用的是荧光光谱，吸收谱可以让信号读取的速度更快。

南方周末：这是你们比欧洲团队高一个数量级的原因吗？

丁世谦：我们比他们高的原因，是因为我们的激光功率是他们的1万倍（10微瓦对纳瓦级）。从钍-229的角度来讲，比他们少了非常多，他们的晶体内含有的钍-229的量是我们的200倍。但我们的激光是他们的1万倍。最终从指标上来看，我们稍微好一些。

（注：“秒级稳定度”是衡量一台钟好不好用的核心指标，表示钟在1秒积分时间内频率的波动程度，数值越低越稳。丁世谦团队优化后的核读出不稳定度系数为5×10⁻¹³/√[τ/s]，比欧洲同期的3×10⁻¹²/√[τ/s]低约一个数量级。）

“最最漂亮的图片”

南方周末：确定核光钟跑起来的那一刻，你是什么感受？

丁世谦：哎呀，浑身鸡皮疙瘩那种感觉。我以前听那些科学家说“这个感受是很难去描述的”，我现在大致理解他们到底在说什么了。

科学界为了实现这一刻已经等了好多年。我们需要各方面的技术。很多技术根本就不是我们最早发展的，比如超稳激光的控制技术、钍-229、原子核物理、原子分子光物理、掺钍晶体等等不同领域，有非常多前人的贡献。加上我们自己的一点工作，最后汇聚到了一个点，终于实现了闭环——我们真的用原子核跃迁去实现计时了。

它其实就是一张图。当我们取到那个吸收谱的数据、看到那个曲线的时候，我们就知道核光钟是可行的。我们做实验在一定程度上是有预期的，当然大多数时候的预期跟最后的结果不一样，很多时候都是失败的。但是看到这个图不一样。

南方周末：看到那张图的时候，实验室里是什么气氛？

丁世谦：当时我们团队的人都在实验室，把数据取完了，然后去分析它，一分钟后结果出来了。看到图的时候，就是——哇！都是这种感觉。我到现在都觉得，那是我看到的最最漂亮的图片。

丁世谦在2026世界顶尖科学家论坛上讲解这张“最最漂亮的图片”。南方周末研究员/摄

南方周末：原子钟做小型化、上太空用了大概八年。核光钟要走出实验室、装上卫星，大概要多久？

丁世谦：我不想去做这种预言。就像几年前有人问我什么时候能做出核光钟，我说10年内不要问——现实情况比我们想象的要更快。从我2021年年底回国、真正开始做，其实不到5年，所以这种预测很难弄准。

但我知道的是，我们肯定会去做它的小型化，把它做成方便搬运的装置。粗略地讲，现在那一间实验室就是一个核光钟。

南方周末：具体能用在哪儿？

丁世谦：最直观的是导航。像GPS、北斗，本质都是把空间精度转换成时间精度。如果核光钟将来小型化，导航、深空探测、地质探测、基础物理常数精密测量，都会有新的空间。

再往远一点说，它还会反过来帮我们测别的东西，很多物理过程最后都会反映成“频率和时间的变化”。有一个更稳的钟，就能看到更细微的自然规律。

最重要的，是它要看能在哪方面应用。我们之后对核光钟了解得更多了，才能判断它适合什么样的场景。现在谈这个还有点早。

南方周末：你之前说过，“不要因为所有人都说难，就默认自己做不成。”你给自己设过止损线吗？

丁世谦：这个真没有，就是一腔热情就去做这个事儿。止损线不是我设的，应该是清华设的。（笑）可能几年之后，发现这个年轻人（指自己）不行，可能会喊停。我自己肯定是没有设限的。

支持这种原创探索，我觉得清华在国内是走在最前面的，我个人的经历也说明了这一点。学校就是相信自己招来的年轻人，相信年轻人的眼光和判断，然后就普惠性地给经费，每年都给。这就提供了一个好的环境，也让我们能够有空间去探索，这是一个非常宝贵的机会。

南方周末：这篇Nature的共同一作里有好几位00后博士生，让年轻人探索，你怕他们犯错吗？

丁世谦：科学探索中没有不能犯的错，错误本身也有价值。对个人来讲，犯了一个错误，几年之内没有成果，当时间足够长了，别人就会怀疑你的能力了，这个可能问题比较大。

所以说那就好好干。我们对科学感兴趣，当我们说这句话的时候，其实本身就意味着自己要承担科学探索的失败风险。

南方周末：你似乎没怎么失败过？

丁世谦：其实，我博士期间原定的课题一直都没能完成——利用量子技术做分子离子光谱，一直没能做成。从这个角度来讲，是失败的。

我在新加坡读的博士，正常学制是四年，我延期毕业的情况还挺严重，读了五年半，比我的学弟学妹还晚毕业。

那个实验花了四年半也没做成，但在这个过程中，我发现了一些其他值得研究的现象，而且我做的平台还不错，就最后一年在这个平台上去研究了一个有意思的现象，才毕了业。

真正有价值的科研，它就必然意味着未知。失败也是正常的情况。

南方周末：那你失败时都是怎么撑下来的？

丁世谦：靠兴趣和热情。我一直都有个信念，具体的技术问题，只要它足够重要，又没有第一性原理说不能做，最后都是可以解决的。

具体到核光钟，我当时想的就是，把激光、把钍-229平台的问题解决掉，没有太多想过风险。

南方周末研究员 罗仙仙

责编 黄金萍