原子核开始“滴答”：核钟终于来了，它会取代光钟吗？

2026年夏天，物理学界传来一个有些科幻感的消息：世界第一批核钟，在欧洲和中国的实验室里，几乎同时发出了第一声"滴答"。

这不是你手腕上那块表的滴答声。这是一种以原子核内部的振动作为节拍器的时钟，理论上可以做到3000亿年不差一秒。听起来像是要终结所有原子钟的"终极武器"？

别急。在激动之前，我们得先搞清楚两个问题：第一，核钟到底是什么？第二，它能取代现有的光钟吗？

▲研究人员正致力于建造世界上第一台核钟。 这是一张真空腔内部的图像，腔内装有掺入钍-229同位素的晶体，这些晶体可通过激光激发。图片来源：Ye Labs/JILA/NIST/科罗拉多大学

钟表的本质，就是一个稳定的“摆”

人类计时史，本质上就是一部寻找更稳定“摆”的历史。

钟摆是摆，石英晶振是摆，而今天最精准的原子钟，它的“摆”是原子外层电子在能级之间跃迁时发出的光波。物理学家把激光的频率锁定在这个跃迁频率上，就像把一个摇摆不定的秋千死死固定在一个节奏上，得到了一个极其稳定的“滴答”声。

▲锶原子在1S0和3P0状态之间的跃迁作为光晶格钟的参考。当光信号与跃迁共振时，其频率可以被非常精确地界定

目前最先进的光钟，稳定度已经达到了什么程度？2026年3月，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、戴汉宁团队研制的锶原子光晶格钟，不确定度达到9.2×10-19——换句话说，运行300亿年，误差不超过1秒。

300亿年是什么概念？宇宙大爆炸至今也才138亿年。这台钟从头走到现在，误差还不到半秒。

但物理学家总是贪心的。他们想要更稳、更不受干扰的“摆”。于是，他们把目光从原子外围的电子，转向了原子内部那个小小的原子核。

核钟和光钟，差别在哪里？

光钟看的是电子，核钟看的是原子核。

区别有多大？清华大学物理系的丁世谦副教授打了一个比方：电子质量很轻，像一片羽毛。周围任何风吹草动——一点点电磁场波动、温度变化、哪怕是一丝黑体辐射——都会让这片羽毛飘摇不定。

而原子核又重又小，像一块坚硬的石头。外部环境的干扰很难撼动它。欧洲核钟团队的核心成员Thorsten Schumm给出过一个数据：核跃迁对环境噪声的敏感度，比原子跃迁低1000到10000倍。

正是因为原子核这么“迟钝”，它对外界干扰几乎“无感”，所以用它来计时，理论上可以做到极其稳定。科学家估计，核钟的潜力精度有望逼近10-20甚至更高量级。

但注意，这只是理论潜力。就像一辆设计时速500公里的赛车，在实验室跑道上和在实际公路上是两码事。核钟的真正精度，还需要未来几年的实测来证明。

为什么偏偏是钍-229？

问题来了：大多数原子核的跃迁都需要极高能量，比如X射线甚至伽马射线级别的能量，普通激光根本撬不动。

但元素周期表里有一个幸运儿：钍-229。它的原子核有一个特殊的低能激发态，跃迁能量大约只有8.4电子伏特——这个能量刚好对应波长约148纳米的真空紫外光，处于现有激光技术可以触及的范围。

换句话说，在茫茫元素周期表中，钍-229是唯一一个能用激光直接操控的原子核跃迁。它天然就是核钟的“天选之子”。

▲用激光激发钍-229原子核的低能跃迁示意图 图片来源：APS

不过，这个“天选之子”给物理学家出了不少难题。148纳米的真空紫外光在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传输；更麻烦的是，制造这种激光不仅需要真空环境，还面临着线宽和稳定性的巨大挑战——早期的脉冲激光线宽太宽，无法用于精密频率锁定。解决问题的关键在于将激光从“脉冲”变为“连续光”：连续光激光器的线宽比脉冲光窄得多，这是实现精密锁频的前提。

2025年12月，德国联邦物理技术研究院（PTB）的研究人员率先取得突破，利用四硼酸锶（SBO）晶体通过随机准相位匹配产生了二次谐波，证明了在148纳米波长实现连续波输出的可行性。然而，这台激光器的功率仅为1.3纳瓦。

2026年2月，清华大学丁世谦团队另辟蹊径，采用基于镉蒸气四波混频的创新方案，造出了功率超过100纳瓦的连续波真空紫外激光，比PTB的方案高出近两个数量级。

2026年夏天：核钟终于响了

有了激光“手术刀”，下一步就是让核钟真正跑起来。

核钟的研制有几个关键台阶：第一步，用激光“撞响”原子核——也就是激发核跃迁。这一步在2024年已经被多个团队攻克。2024年4月，欧洲团队（维也纳量子科学与技术中心与德国PTB合作）率先在掺钍氟化钙晶体中实现了钍-229核跃迁的首次直接激光激发。

同年7月，加州大学洛杉矶分校（UCLA）Eric Hudson团队在掺钍氟化物晶体中独立实现了核跃迁的激光激发。紧接着在9月，美国JILA的叶军团队利用真空紫外频率梳和锶原子光钟，精确测定了核跃迁的绝对频率。至此，核钟关键的两个“拼图”——激发和测频——都已就位。

第二步，把激光频率牢牢锁定在核跃迁频率上，让它持续稳定地“滴答”——这叫“闭环”。闭环是从理论构想到第一次实现的实验室验证，是未来走向实用仪器的必经之路。

2026年6月初，两个团队几乎同时撞线。一支是欧洲团队，由维也纳量子科学与技术中心和德国联邦物理技术研究院（PTB） 合作完成，他们在6月3日提交了论文。另一支是清华大学丁世谦团队，在6月7日提交了成果。两个团队都成功实现了核钟的闭环运行，世界第一批核钟终于发出了持续、稳定的“滴答”声。

不过，两个团队实现闭环的技术路线略有不同。欧洲团队采用的是一种脉冲式操作的连续激光方案——激光本身是连续波，但在两个接近共振的频率之间快速切换（脉冲式时序），通过比对两个频率下的吸收差异来锁定核跃迁频率。而清华大学团队走的是基于连续激光的调制解调锁定方案——用他们自主研制的148纳米连续波超窄线宽激光直接锁定核跃迁。两种方案各有优劣，脉冲式操作在技术上更早成熟，而连续波方案在频率稳定度上潜力更大。

但是，闭环只是一个开始。这就像人类第一次造出了蒸汽机，但它能跑多快、多稳、多耐用，还需要漫长的调试和优化。目前全球有近十个团队在核钟的不同技术路线上并跑，有做固体核钟的，有做离子阱核钟的，谁能在精度和实用性上最终胜出，远未到揭晓的时候。

除了上述两个率先实现闭环的团队，中国科学技术大学也在核钟的核心技术上进行了深度布局，在离子阱、掺钍晶体材料和激光技术等方向持续攻关。美国方面，JILA的叶军团队聚焦于核钟的频率复现性研究——说白了就是“测得更准”，2026年在《自然》杂志上发表了相关成果。在2026年6月第29届国际原子物理大会（ICAP）上，叶军还在大会报告中展示了该团队在148纳米激光方面的最新进展。

那光钟呢？它要被淘汰了吗？

绝对没有。

恰恰相反，光钟目前依然是人类计时精度的巅峰。中国科大的锶原子光晶格钟已经做到了10-19量级的不确定度，是当今世界最精密的测量工具之一。光钟不仅将支撑“秒”的重新定义，还在检验相对论、探测引力波和暗物质、卫星导航等领域发挥着实际作用。

事实上，核钟和光钟并不是两条完全独立的赛道。它们共享着大量核心技术——激光稳频、离子阱囚禁、光梳测量，这些都是光钟领域花了几十年时间打磨成熟的技术。核钟的真正突破在于把“参考”从原子外层电子换成了原子核，但支撑它运行的“工具箱”很大程度上是光钟留下来的遗产。从这个意义上说，核钟不是凭空造出来的，而是站在光钟肩膀上向前迈进的一步。

那为什么还要做核钟？核钟和光钟追求的目标都是更高的精度，但核钟对外界干扰的敏感度比光钟低。这意味着未来如果核钟要冲击极限精度，虽然同样需要像光钟那样评估和控制外部环境的影响，但实现同样性能所需的苛刻程度大大降低。这种优势既为核钟赢得了进一步提升精度的空间，也让它在理论上更容易走出实验室。因此，可以把核钟理解为一种“既精又韧”的新工具。

不过，核钟的“精”目前还停留在理论层面。它到底能不能真正超越顶尖光钟，还需要未来的实测来验证。光钟是已经验证的精密工具，核钟是充满潜力的新方向——两者在很长时间内将是互补共存的关系，而非谁取代谁。

接下来看什么？

核钟的“滴答”声已经响起，但好戏还在后头。

接下来，值得关注的问题有几个：核钟的实际精度到底能达到多少？固体核钟和离子阱核钟分别能走多远？核钟能不能真正走出实验室，在深空导航、自主定位这些场景里派上用场？

还有最令人兴奋的一点：核钟对宇宙基本常数的变化极其敏感。如果精细结构常数有任何极其微小的漂移，核钟可能会第一个“察觉”。这或许能帮我们探测到暗物质，甚至发现超越现有物理标准模型的新现象。

无论如何，人类丈量时间的方式，正在翻开新的一页。而这页纸的第一行，写着一行小字：

“原子核开始滴答了。”

参考文献

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