核钟可能使科学家能够在未来的研究工作中深入研究宇宙的基本力。作为国际合作的一部分，慕尼黑大学的研究人员在这一领域迈出了关键的一步。

原子钟提供的时间测量非常精确，每 300 亿年只增减不到一秒。然而，有了所谓的核钟，就可以更准确地测量时间。此外，它还可以让科学家对基本物理现象有更深刻的理解。

“我们谈论的是把世界凝聚在一起的核心力量，”慕尼黑大学物理学家彼得·蒂罗夫教授说，他多年来一直在研究核钟。与传统的原子钟相比，这种类型的时钟可以记录原子核内部的力。

“这将开辟一系列永远无法用原子钟进行研究的研究领域，”蒂罗夫的同事桑德罗·克雷默博士补充道，他在比利时鲁汶大学完成博士学位期间在推动该项目的进展中发挥了重要作用。

核钟概念图：钍 229 这种元素有望成为核钟的计时组件。

在核时间的竞赛中，蒂罗夫和克雷默处于领先地位。两位科学家担任加兴实验物理系主任，作为国际团队的一员，他们在第一个核钟的道路上取得了重要进展。

彼得·蒂罗夫多年来一直在研究核钟

正如他们在《自然》杂志上报道的那样 ，凭借一种新的实验方法，他们成功地精确地表征了钍 229 的激发能。这个原子核未来将被用作核钟的计时元件。准确了解激励所需的频率对于该技术的可行性至关重要。

原子核内的时钟

要做出时钟，你就需要周期性振荡的东西以及对振荡进行计数的东西。落地钟有一个机械摆，其振动由时钟的机械装置记录。在原子钟中，原子壳起到计时器的作用。电子被激发并在高能级和低能级之间来回切换。然后就是计算当受激电子回到基态时原子发射的光粒子的频率。

桑德罗·克雷默（ ）一直在研究核钟，作为他的博士学位的一部分。现在慕尼黑大学继续他的工作。

在核钟中，基本原理非常相似。在这种情况下，我们深入到原子核，在那里也可以找到各种能态。如果我们设法用激光精确地激发它们并测量原子核回到基态时发出的辐射，那么我们就会拥有一个核钟。困难在于，在科学已知的所有原子核中，只有一个可以达到这一目的：钍229。甚至在很长一段时间里这也只是纯粹的理论。

独一无二的原子核

钍 229 的特殊之处在于，它的原子核可以使用相对较低的光频率（几乎可以用紫外激光获得的频率）进入激发态。不过这研究一度停滞了 40 年，因为尽管科学家怀疑存在具有正确特性的原子核，但他们无法通过实验证实这一假设。

2016年，慕尼黑大学研究小组取得了突破，直接证实了钍229原子核的激发态。这为核钟竞赛打响了发令枪。与此同时，世界各地的许多团体已经开始讨论这个话题。

为了让时钟运转，计时元件和发条装置需要彼此完美协调。就核钟而言，这意味着您需要知道钍 229 原子核的振荡频率。只有这样，才能开发出恰好激发该频率的激光器。

为了让时钟走动，人们必须找出可以激发钍229的光的确切频率。

“你可以把它想象成一个音叉，”克雷默解释道。“正如乐器试图匹配音叉的频率一样，激光也试图击中钍核的频率。”

如果你要用不同的激光器尝试所有可能的频率，那将需要很长时间。更不用说必须首先在相应的紫外光谱中费力地开发激光器。因此，为了缩小钍229的振荡频率范围，研究人员采取了不同的策略。“大自然有时很仁慈，为我们提供了多种路线，”蒂罗夫说。事实上，激光并不是产生钍核激发态的唯一方法。当放射性原子核衰变为钍229 时也会发生这种情况。“所以我们可以说是从钍的祖父母和曾祖父母开始。”

正在开辟新道路

钫229 和镭229这两种物质在自然界中都不容易发现，因此必须通过合成方法来制造。目前，世界上能够做到这一点的地方很少。其中之一是位于日内瓦的欧洲核研究组织 ( CERN ) 的 实验室，它使炼金术士的古老梦想成为可能——将一种元素转化为另一种元素。

为了实现这一目标，科学家用加速到极快速度的质子轰击铀原子核，从而产生各种新的原子核——包括钫和镭。这些元素迅速衰变成钍 229 的放射性母核：锕 229。

克雷默、蒂罗夫和他们的国际同事将这种精心制造的锕嵌入特殊晶体中，锕在激发态下衰变成钍。当钍跳回到基态时，它会发射出光粒子，其频率对于核钟的发展至关重要。然而，证明这一点并非易事。

和 Peter 实验室的下一个研究钍 229 原子核的实验将于今年夏天开始。

“如果原子核没有位于晶体中正确​的位置，我们就没有机会，”克雷默说。“环境中的电子吸收能量，我们无法测量的任何东西都会将其释放到外面。”

之前将铀代替锕插入晶格的尝试在这个障碍上失败了。“当铀 233 衰变成钍 229 时，会产生反冲力，对晶体造成严重破坏，”蒂罗夫解释道。相比之下，锕衰变为钍造成的损害要小得多，这就是为什么研究人员选择这条与欧洲核子研究中心合作进行新研究的费力路径的原因。

辛勤的工作和耐心得到了回报：通过他们的新方法，团队能够非常精确地确定状态转换的能量。他们还证明了基于嵌入晶体的钍的核钟是可行的。这种基于固态的时钟比其他方法具有优势，因为它们可以更快地产生测量结果，因为它们可以处理更多数量的原子核。

时间的问题

“我们现在知道我们需要的大致波长，”蒂罗夫说。下一个任务是在新发现的基础上逐步缩小过渡能量的范围。首先，研究人员将用激光产生激发。然后他们可以使用更精确的激光以更高的精度继续追踪频率。为了不花太长时间，他们不会使用镊子大海捞针，可以这么说，而是使用耙子。

这种“耙子”被称为“频率梳”，由 在慕尼黑大学的同事 Hänsch 教授开发，他因这项成就获得 2005 年诺贝尔物理学奖。科学家可以使用梳子同时扫描数十万个波长，直到找到合适的波长。

通往核钟的道路上仍然存在一些挑战。科学家必须更好地了解钍异构体、开发激光器并制定理论。“但坚持到底是值得的，”蒂罗夫认为。“从长远来看，该项目开辟了如此多的新应用可能性，值得所有的实验努力，”克雷默补充道。

这些新的可能性不仅包括基础物理研究，还包括实际应用。借助核钟，科学家可以检测地球引力场中最微小的变化，例如在地壳板块移动或火山爆发之前发生的变化。随着新的成功，奖品已触手可及。第一个原型可能会在不到十年的时间内问世。“我们甚至可能在 2030 年重新定义秒之前及时做好准备，”两位物理学家希望。他们指的是提出一个新的、更精确的秒标准定义的计划，为此科学家将使用最先进的原子钟——甚至可能是第一个核钟。