一块“抖动的原子核”，如何重新定义一秒？
科学火箭叔 2026-11-03 17:26:10
如果我问你，现在世界上走得最准的钟，是靠什么走的？你可能会想到齿轮，想到石英，想到“铯原子”。但你大概率想不到——它靠的，是原子核里一声几乎听不见的“轻响”。这声轻响藏在一颗叫钍-229 的原子核深处，能量只有 8.4 电子伏特，对应一束人眼根本看不见的、波长 148 纳米的光。2026 年 10 月 7 日，清华大学团队把一束这样的光，稳稳地锁在了原子核的“心跳”上——核光钟（Nuclear Clock），就此诞生。人类看时间，是从抬头看太阳开始的。后来有了摆钟，有了石英钟，再后来，1967 年，国际计量大会干了一件狠事：把“一秒”定义成铯-133 原子（Cesium-133）内部一次超精细跃迁，辐射 9,192,631,770 个周期的时长。从此，“秒”不再是一根指针的嘀嗒，而是原子深处一次精确到不可思议的“电子跳动”。原子钟（Atomic Clock）就这样成了全世界对表的基准。可原子钟再准，也有一道天花板：它靠的是电子在原子外围的跃迁。电子是“外围住户”，外面的电磁场、温度、震动，都会悄悄打扰它的节拍。钟要走得准，节拍器就得“不受打扰”——那去哪儿找更稳的节拍器？
往原子里面走，走到最深处，就是原子核。别看原子已经小得看不见，原子核才是真正的“狠角色”：原子超过 99.9% 的质量，挤在不到 0.01% 的体积里。打个比方，如果把原子放大成一座体育场，原子核就是场地中央的一颗米粒。原子核里的质子和中子，也能像电子一样“跳”——它们的集体跃迁，频率由强核力（Strong Nuclear Force）主导。核子被“焊”得极紧，外界电磁扰动基本撼不动它。理论上，用核跃迁当节拍器，能比电子跃迁稳得多。
可问题来了：绝大多数核跃迁的能量高得离谱，高到人类造不出能“够到”它的激光。宇宙偏偏留了一个例外——钍-229（Thorium-229）。这颗原子核的跃迁能量只有 8.4 电子伏特，落在一段叫“真空紫外”（Vacuum Ultraviolet, VUV）的波段，波长 148 纳米。这是人类已知的、唯一能被激光直接够到的核跃迁。它就像大自然专门给计时器留的一把钥匙。03 两道“鬼门关”：一束看不见的光 + 一粒“省着用”的钍有了钥匙，还得有能开锁的工匠。核光钟最难的两道关，一道是光，一道是料。第一关，光。此前国际同行只能用脉冲激光，像“敲钟”一样把核跃迁敲响一次。可钟要持续走，需要的是能一直稳稳输出、频率锁死不飘的连续波激光——148 纳米的连续波真空紫外激光，全世界都没有。清华大学团队从零做起，用四波混频等方法，2026 年 2 月就在《自然》发表了这台 148 纳米连续波激光器；10 月，他们把它稳稳锁在钍-229 的核跃迁上，让原子核不再是“被测量的对象”，而是反过来“给激光当标准”——核钟闭环，跑起来了。
第二关，料。钟的“心脏”是一块掺了钍-229 的氟化钙晶体。钍-229 是极其稀缺的战略核素，贵到没有试错空间。团队只用了 1.4 微克——大约是一粒盐重量的几十分之一——就一次成功长出了毫米级的高质量晶体，用量只有欧洲同行的约二百分之一。省着料，性能却不含糊：这套核光钟的秒级稳定度，优于欧洲团队接近一个数量级；用两块独立长出来的晶体对表，频率复现精度达到 220 赫兹，对应约 1.1×10^-13 的相对误差。丁世谦也凭这套工作，拿下了 2026 年世界顶尖科学家奖的“青年科学家奖”。当然，要说句公道话：核光钟目前的总精度，还没追上顶级光钟和铯喷泉钟——追上还要好几年。但它的路数不同：核跃迁受外界扰动小得多，原理上的天花板更高。这是一颗还在发育的“种子选手”。
最直接的应用，是导航。GPS、北斗靠的是卫星上顶着的原子钟：钟走偏一纳秒，定位就可能差出去 30 厘米。核光钟是固态晶体，能做得又小又结实，未来有望装进导航卫星，替代今天的氢脉泽（Hydrogen Maser），让全世界的“对表”再稳一个台阶；深空探测器飞得越远，越需要自带一颗不依赖地面的高精度钟，核光钟天生适合这个场景。
更让物理学家兴奋的，是核光钟的“听诊器”功能。因为核跃迁对精细结构常数（Fine-structure Constant）这类基本物理量极其敏感，它可能听见暗物质飘过时引起的“常数抖动”、捕捉超出四大基本力的“第五力”、直接量一量强核力本身——这等于给基础物理，开了一条不用对撞机的、便宜得多的新路。从 1950 年代的铯束钟，到今天的原子光钟，再到核光钟——人类对“一秒”的定义，正在从“电子的跳动”，走向“原子核的跳动”。从抬头看太阳，到摆钟嘀嗒，到石英振动，再到铯原子、原子核——几千年了，人类问“现在几点”这件事，越问越深，越问越准。这一次，我们把答案，藏进了一颗原子核的跳动里。时间没有变快，变的，是我们对时间的“听感”。 【版权声明】本文内容来源于科学火箭叔，版权归原作者及原媒体所有。本站仅作信息分享，不构成任何商业用途；如涉版权问题，请联系本站删除。
发布时间：2026-11-01 12:36:43
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