“梦想成真”：核钟的突破可能会彻底改变对宇宙基本力的研究

通过将钍 229 原子核推向更高的能态，物理学家使得开发一种可以探测物理学中最基本的力的核钟成为可能。然而，还有很长的路要走。

科学家们取得了一项重大突破，使我们离开发核钟又近了一步，核钟是一种基于原子内部运作来计时的装置。 

物理学家首次使用激光将钍原子核提升到更高的能级。这一发现为开发新型时钟铺平了道路，这种时钟的滴答声不仅更加精确，而且可以探测宇宙中最基本的力。 

研究人员于 4 月 29 日在《物理评论快报》杂志上发表了他们的研究结果。

首席研究员、维也纳科技大学量子计量学教授托尔斯滕·舒姆 (Thorsten Schumm) 告诉《生活科学》杂志：“看到第一个信号是梦想成真。” “[这是]多年准备的回报，同时也怀疑这是否真的有效。”

关于时间 

目前，我们最精确的时钟是原子钟，通过向电子发射激光来计时——将激光的频率与它导致电子绕原子运行的能级的精确跳跃相匹配。这种方法使科学家能够对激光频率进行超精确测量，从中提取原子钟的“滴答声”。 

然而，原子钟远非完美。它们赖以保持时间的电子位于原子外部。因此，它们很容易受到杂散磁场或其他环境影响的干扰，这些干扰可能会微妙地改变它们的能量水平、它们随后响应的激光频率，从而改变它们所保持的时间。 

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另一方面，核钟将利用原子中心内部原子核的能量跃迁，因此它们免受外界干扰。但原子核能级之间的许多间隙比电子能级大数千倍，这意味着它们太大而无法与激光的能量相交。 

但在 20 世纪 70 年代，科学家发现钍元素的一种同位素（钍 229）似乎具有可以被激光跨越的能级。 

但找到这个精确的能隙并不是一件简单的任务。最初，研究人员将钍 229 激发到远高于物理学家实际感兴趣的两个能级的水平。然后，他们测量了当钍 229 回落至较高能级时与略低于该能级时发出的光能之间的细微差别。 。 

研究人员将这个过程与从摩天大楼上扔球来确定路缘石的高度进行了比较——球撞击街道和人行道时弹跳高度的细微差别可以帮助他们将两者之间的小距离归零。

在过去的 50 年里，研究将导致这种能级跳跃到电子伏特的微小部分所需的能量缩小了，但这种精度仍然不够。

“理论告诉我们，它的能量范围在 0eV 到 10 eV 之间，但我们需要以 7 到 8 位数的精度达到正确的频率才能产生效果，”舒姆说。 “扫描整个搜索范围需要数千年的时间，因此我们必须经过多年的准备实验来缩小搜索范围。”

为了最终确定精确值，舒姆和他的团队将大约 10 的 17 个钍 229 原子核（或者比我们银河系中恒星的原子核多一百万倍）困在氟化钙晶体中，这大大增加了找到所需转变的可能性。经过多次尝试，研究人员直接观察到钍原子在能级之间跳跃：能量变化为8.35574电子伏。

研究人员指出，还需要很多年的时间才能开发出与原子钟相同精度的核钟。但随着这种转变最终被发现，窗口终于打开了，它可以让物理学家更深入地探索暗能量、暗物质和宇宙基本力的难以捉摸的本质。

舒姆说：“核钟将为原子核两个束缚态之间的能量差提供极其精确的测量。” “这两种结合能是物理学中四种基本力中的三种的结果：电磁力、强核力和弱核力。这与所有仅依赖电磁力的原子钟形成鲜明对比。如果其中之一这三种基本力随着时间或空间位置的变化而变化，核钟应该看到这一点。”