在未来的研究工作中，核钟有可能使科学家们深入探索宇宙的基本力量。在国际合作的框架下，慕尼黑大学的研究人员已经在该领域迈出了重要的一步。

原子钟能够如此精确地测量时间，以至于它们在三百亿年中只会多出或少掉不到一秒钟。然而，所谓的核钟将使时间的测量更加精确成为可能。此外，它们还能够为科学家们提供更深入的基本物理现象理解。

“我们正在讨论那些维持世界核心的力量，”多年来一直致力于核钟研究的慕尼黑大学的物理学教授Peter Thirolf表示。与传统原子钟不同，这类钟表会记录下原子核内部的力量。

“这将为一系列无法通过原子钟研究的领域打开新的视野，”Thirolf 的同事Sandro Kraemer博士补充道，他在比利时鲁汶大学获得博士学位期间在该项目中发挥了重要作用。

在核时钟竞赛中，Thirolf和Kraemer位居前列。这两位科学家在Garching的实验物理学教席工作，他们与国际团队合作，如今在通讯杂志《Nature》中报道了一个重要进展，成功地通过新的实验方法，对钍-229的激发能量进行了精确刻画。这个原子核将被用作未来核时钟的计时元件。对于技术可行性而言，对它所需的激发频率有精确的了解是至关重要的。

内部的时钟

时钟需要一个定期振荡的物体和一个计算振荡次数的机制。摆在壁钟中作为一个机械振子，它的振荡被时钟机制所记录。在原子时钟中，原子的电子壳就起到了时间计量的作用。电子会被激发并在高能级和低能级之间相互转换。然后就是计算原子在电子返回到基态时所发射的光粒子的频率。

在核钟中，基本原理非常相似。在这种情况下，我们深入到原子核的内部，那里也可以找到各种能级。如果我们能够用激光精确地激发它们，并且在原子核回到基态时测量其辐射，那么我们就会有一个核钟。困难之处在于，尽管科学界已经发现了许多原子核，但只有一种能够适用于这种目的：钍-229。而且，长期以来，这种可能性也只存在于理论中。

没有其他与钍-229相似的原子核

使得钍-229如此特殊的原因是，可以利用相对较低的光频来使其原子核进入激发态 - 这个频率几乎可以通过紫外激光获得。研究停滞了40年，因为尽管科学家们怀疑存在一个具备合适特征的原子核，但他们无法通过实验证实这个假设。

然后在2016年，慕尼黑大学的Thirolf研究小组直接证实了钍-229原子核的激发态。这引发了对核钟的竞赛。与此同时，世界各地的许多团队都加入到这个研究课题中。

要启动一个钟表，计时元件和时钟机芯必须完全协调。对于核钟而言，这意味着你需要知道钍-229原子核的精确振荡频率。只有这样，才能开发出能够精确激发这个频率的激光器。

“你可以把它想象成一个音叉，”克拉默解释道，“和音叉频率匹配是乐器的目标，同样，激光试图击中镤核的频率。”

如果用不同的激光尝试所有可能的频率，将需要很长时间。更不用说，激光还必须在相应的紫外光谱中进行费力的开发。因此，为了缩小镤-229振荡频率所在的范围，研究人员采取了不同的策略。“自然有时候是仁慈的，给我们提供了各种途径，”蒂罗尔夫说道。碰巧的是，激光并不是产生镤核激发态的唯一方法。当放射性核素衰变成镤-229时，也会发生这种情况。“所以我们从镤的祖父和曾祖父开始，可以这么说。”

ISOLDE正在开辟新的道路

这些祖辈被称为镭-229和氡-229。由于它们在自然界中非常少见，因此必须人工合成。目前，世界上能够做到这一点的地方非常少。其中一处就是位于日内瓦的欧洲核子研究组织（CERN）的ISOLDE实验室，它实现了炼金术士的古老梦想——将一个元素转化为另一个元素。

为了实现这一点，科学家们用加速到极高速度的质子轰击铀核，从而产生各种新的核素，其中包括镭和氡。这些元素迅速衰变成镤-229的放射性亲体核素：锕-229。

克拉默、蒂罗尔夫和他们的国际同事将这种精心制造的锕嵌入特殊的晶体中，锕会在其中衰变成激发态的镤。镤跳回其基态时，会释放出频率对核钟发展非常关键的光粒子。然而，证明这一点并不是一项简单的任务。

“如果原子核不正好位于晶体中的正确位置，我们就没有机会了，”Kraemer说。“周围环境中的电子会吸收能量，我们无法测量到任何能量会外部跑出去。”

之前用铀而不是锕-元素将铀插入晶体晶格的尝试就失败了。Thirolf解释说：“当铀-233衰变成钍-229时，晶体中就会产生后坐力，对晶体造成严重破坏。”相比之下，锕元素衰变成钍则造成的破坏要小得多，因此研究人员选择了与CERN合作进行这项新研究的艰苦道路。

辛勤努力和耐心终于得到了回报：利用他们的新方法，该团队能够非常精确地确定状态转变的能量。他们还证明了以嵌入晶体中的钍为基础的核钟是可行的。这种基于固态的钟表相比其他方法的优势在于它们能够更快地得出测量结果，因为它们使用了更多的原子核。

时间问题

“我们现在知道我们需要的大致波长了，”Thirolf说。基于这些新发现，逐步缩小确切转变能量的范围将是下一项任务。首先，研究人员将利用激光产生激发。然后，他们可以通过使用更精确的激光逐渐提高频率的准确性。为了不使这个过程持续太长时间，他们不使用镊子去“在一堆中找针”，而是使用一把梳子。

这种“梳子”被称为“频率梳”，是Thirolf的LMU同事Theodor Hänsch教授开发的，后者因此成就荣获2005年诺贝尔物理学奖。科学家们可以利用这个梳子同时扫描数十万个波长，直到找到合适的波长。

在无核时钟的道路上仍存在一些挑战。科学家们必须更好地理解钍同位素，发展激光技术，并提出理论。“但坚持下去是值得的，”Thirolf认为。“该项目从长远来看将开启大量新的应用可能性，这值得付出所有的实验努力，”Kraemer补充道。

这些新的可能性不仅涵盖基础物理研究，还包括实际应用。通过核钟，科学家们可以检测到地球的重力场中最微小的变化，比如当板块移动或火山爆发之前发生的变化。凭借这些新的成功，奖励就近在咫尺。第一批原型可能在不到十年的时间内面市。“我们甚至可能在2030年重新定义秒的时候准备好，”这两位物理学家希望如此。他们指的是计划提出一个更精确的秒定义标准，科学家们将使用最先进的原子钟，甚至可能使用第一台核钟。