首批原子核钟刚刚开始走时

你的地图就是一台钟

手机地图上的蓝点，其实不是在测距离。它在测时间。每颗GPS卫星都带着几台原子钟，手机算出每颗卫星的信号到达手机用了多久。无线电信号以光速传播，十亿分之一秒约走三十厘米。

时间只要差百万分之一秒，位置就会偏约三百米。

一周内两台原子核钟

所以十月七日，两个团队在《自然》上报告，造出了用原子核计时的钟，这不只是物理学里程碑。这是一种新型时钟，两个团队都说，它将来可能超过我们今天依赖的钟。但最初的版本还不如最好的原子钟，背后的原因和成果同样重要。

重复并计数

每个钟都需要两样东西：重复的运动，和记录重复次数的装置。钟摆来回摆动，手表里的石英晶体每秒振动三万二千七百六十八次。重复越快越稳，钟就能把时间切得越细。

原子秒

如今，一秒的正式定义由原子来确定。铯原子响应的微波信号，每振荡九十一亿九千二百六十三万一千七百七十次，就是一秒。NIST的这种喷泉钟，把激光冷却的铯原子云向上抛，检查微波频率是否仍与原子吻合。较新的光钟用光代替微波，振荡频率快了几万倍。

二零二四年，JILA的锶钟报告系统不确定度低于百亿亿分之一。光钟已超过铯钟，负责定义秒的国际机构正准备重新定义秒，计划在二零三零年作出决定。

弱点：电子

这些钟依靠的都是同一种现象：原子外层的电子在能级之间跃迁。电子在外面，杂散的电场、磁场和热都会扰动它的节奏。所以最好的原子钟把几个原子关在真空里，用激光冷却，再仔细屏蔽。原子核就不一样了。

原子核比整个原子小几万倍，对那些干扰电子的场也远没那么敏感。问题是，原子核通常要靠高能伽马射线才能改变能量，远超台式激光器的能力。

钍-229

钍是例外。钍二二九是一种稀有同位素，它有个激发态，只比基态高约八点四电子伏特。这个能量差对应波长约一百四十八纳米的真空紫外光，激光器能产生这种光。二零零三年，物理学家提出利用这种跃迁制造核钟。

到二零一六年才证明激发态存在，到二零二二年才用光测出它的能量。二零二四年，研究人员首次用激光激发了晶体里的钍核。

晶体里的钟

原子核屏蔽得很好，所以能嵌在固体里。两个团队都把钍二二九嵌入宽仅几毫米的氟化钙晶体，温度保持在接近室温。这种材料很稀缺：中国团队用只含一点四微克钍二二九的溶液，培育出一块晶体。钍二二九由铀二三三衰变产生。

清华团队写道，材料太少，几乎不允许他们先培育晶体，再测试，然后重来。

闭合反馈回路

以前的实验能激发钍核，但激光频率得靠另一台钟来控制。维也纳团队实现了闭环控制，让原子核自己控制激光频率。激光穿过晶体，只有频率合适，原子核才会吸收光。激光频率一旦漂移，吸收的光就变少，探测器发现变化，电路再把频率调回来。

这是论文公布的系统图，可以看到晶体、探测器，以及形成闭环的反馈路径。这台钟无人干预，运行了整整一天。

数清每一次跳动

钟还得数清振荡次数，这在核钟上成了难题。一百四十八纳米的光每秒振荡约两千万亿次，快到电子电路无法直接计数。所以两个团队使用频率梳。这种激光各色光的频率间隔均匀，像钟表齿轮，把频率降到电路能计数的范围。维也纳团队通过约十公里长的光纤，将核钟与奥地利计量局的镱离子钟作比对。

在清华大学，另一个团队用不同方法产生紫外光，造出了自己的核钟。两块独立培育的晶体给出的时钟频率，相对差异不超过约十万亿分之一。

它有多稳？

要评价一台钟，物理学家会把它与另一台钟比较，看频率波动有多大。维也纳论文中的这张图，显示了频率波动随取平均值的时间延长而变化的情况。取平均值的时间越长，曲线越低，几小时后降到约百万亿分之二。大学新闻稿将结果换算成约三千万年误差一秒，这个数字是根据一天的运行数据推算的。

两台钟，各有所长

两台新钟稳定度并不一样。在清华论文的这张图里，拟合线随平均时间增长而下降，和维也纳的图一样。最佳设置下，平均时间相同时，清华核钟的波动约为维也纳核钟的六分之一。清华核钟通过四公里光纤，与氢微波激射器和超稳激光腔进行了比对。

维也纳核钟则实现了自身的闭环控制，连续运行一整天，还测量了频率每天漂移多少。

仍然落后

这听起来已经很惊人，但最好的光钟仍遥遥领先。维也纳团队称，这还是初步的原型钟，尚未达到世界顶尖光学原子钟的水平。论文作者预计，未来装置的稳定度可提升约四个数量级。这是预测，并非实测结果。

每天都得出同样的结果吗？

另一个限制出现在不同天的结果之间，单次运行看不出来。每次运行前都得重新对准激光，光束穿过晶体的位置会略有不同。不同位置的频率略有差别，不同天的结果只吻合到约十万亿分之五。能随身携带的钟，每次开机都得给出相同的计时结果。

回到你的手机

那它将来能用在手机定位上吗？手机里根本没有原子钟。手机接收至少四颗卫星的信号，同时算出自己的位置和时钟误差。卫星的钟，靠地面上更好的原子钟校准。

清华论文提出，钍晶体有望做成小巧耐用的计时设备，卫星或网络可能因此受益。两篇论文都没声称能升级GPS。如今手机约五米的定位精度，还受大气、建筑和接收机影响。

能测量高度的钟

更好的钟还能测高度，因为离地球越远，时间走得稍快。二零一零年，NIST比较两台光钟，一台升高约三十三厘米，就测出了差别。这种测绘地球重力场的方法属于大地测量，需要把钟带到测量地点。晶体里的耐用时钟将来也许能帮上忙，但核钟的这项用途仍是可能性，尚未实现。

暗物质探测器

更早的用途在物理学研究。钍核的这种跃迁，对维系物质的力的微小变化格外敏感。维也纳团队在一天的计时数据中，寻找某些暗物质会造成的微弱周期性波动。他们没发现信号，但原型钟对暗物质效应的限制，就已媲美最好的原子钟。

接下来值得关注什么

那么，什么决定核钟能否走出实验室？要看三件事：频率是否每天一致，稳定度能否真提高几千倍，钍二二九和紫外激光器是否更容易获得。下一次重新定义秒的准备工作，依据的是光学原子钟，而非核钟。眼下，原子核已证明能计时。下一个考验，是能否在任何地方都给出一致的计时结果。