中国这台核光钟，为啥值得人类研究 50 年？

核光钟，各位最近刷到没？

前几天新华社发了官方报道，说中国科研团队造出了核光钟，还登上了顶级学术期刊《Nature》。

一句话总结，就是中国团队造出了更牛逼的原子钟，而且从常规原子干到了原子核里，所以叫核钟，或者核光钟。

虽然像什么本科生发Nature的事咱也早就习惯了，但核光钟这个词确实看着就强而有力。。。不知道是不是最新修仙小说看多了，哥们第一感觉这玩意是什么东皇钟同款新品神器吗？

但你要上网一搜，就会发现，网络上大家对它的理解大部分都是这个画风：

什么！中国人重新定义时间？ 地震前一天中国人就能知道？ 清华本科生让中国核潜艇战力翻倍？

不是哥们，某些营销号收收味好吧，人家发的是Nature还是故事会啊，一个纯科学的东西怎么搞得跟论战圈一样，哪那么玄乎。

不过呢，等到我仔细研究了一番以后，发现这些营销号说的虽然有点夸张，但这核光钟的技术确实顶。

具体什么情况，这就得讲到各位耳熟能详的原子钟了。

众所周知，为了研究一秒究竟有多长，人类把精确测量的技能卷到了极限。

以前大家看太阳行星转圈，后来用机械钟表，钟摆晃一下就是1秒。后来为了更精细，又研究了石英。

石英晶体通电可以以32768（2^15）赫兹振动，所以经过15次二分频，就可以输出1秒一个的信号，于是石英被做成晶振，用在各种电子元件里面。

就这个白色的圆柱

但由于石英仍然会受温度、老化等影响，所以人类直接把尺度拉的更小，用原子来定义。

中学化学里我们就学过，原子内部的电子处于特定的量子能级。当它在两个能级之间跃迁时，就会吸收或释放特定频率的电磁波。

由于普朗克常数限制，这个频率也会是一个宇宙中的固定数值，所以拿它来计算时间简直完美。比如铯原子钟，就是利用铯-133的特定跃迁频率来定义1秒，所以国际单位制中一秒的定义就是铯-133跃迁频率的9192631770次振荡的时长。

好了，既然原子钟已经搞这么先进了，那为啥又要搞开头这个核光钟啊？研究人员闲的蛋疼？

道理其实跟淘汰石英钟一样。原子钟虽然极其先进，但由于电子实在太轻了，很容易受到外部电磁环境的干扰，科学家必须花费大量精力消除系统误差。

更别说一套原子钟做出来，还要搭载复杂的激光冷却、真空系统和近乎绝对零度的超低温环境。

虽然真正管事的体积不大，但配套加起来比中秋节月饼礼盒都豪华，想进一步小型化、工程化就很不容易了，要把它搬上卫星也很占地方。

所以有人就想到，诶，那咱能不能继续往小了做，直接拿原子核来计时？

众所不周知，在原子中，不光核外电子有能级，处于C位的原子核它自己也有能级，也可以量子跃迁。而且拿原子核计时，简直是天命之选。

如果说核外电子是操场边的一圈羽毛，风一吹就跑了，那原子核就是操场中心的良子，任凭外界电磁干扰，它自岿然不动。

所以理论上，目前常见原子钟的极限误差可能是一亿年错一秒，但核钟的理论精度，能达到几百亿年才错一秒 —— 比宇宙大爆炸到现在的时间都久！

OK，那这么神奇的妙妙工具，要怎么做出来呢？基本思路和原子钟是一样的：

首先，找一束激光去击中原子核，让它进入量子跃迁的激发态； 然后，计算原子核跃迁能量的特定频率，再把激光调到跟这个频率完全一致； 最后，测量这束被原子核完美校准的激光频率，再用“光频梳”等类似变速箱效果的工具，把光波频率还原到1秒。 完事，一个核光钟就做好了。

听起来像把大象放进冰箱一样简单，但为了完成这几步，全人类整整熬了50年。。。

因为造核光钟面临的第一个难题，就是能量。常规原子核的跃迁，需要极高能量的伽马射线才能激发，但人类目前的技术，还无法完全掌握伽马射线。。。（而且穿透力太强，可能破坏仪器）

好就好在，天无绝人之路。1976年，美国人在研究核弹时，意外发现了钍-229元素衰变后，会存在两个异常接近的原子核能级，跃迁能量极低！

但对当时的美国人来说，还没想到拿它做核光钟。

到了2003年，德国科学家发现了这个盲点，说这钍-229岂不是天选核光钟原材料？而且用激光就能驱动啊！

但这也同样是口嗨，因为直到2016年，科学家才第一次证明了钍-229存在这种激发态。至于钍-229跃迁到激发态需要多少能量，也是两眼一抹黑。

以前猜的是3.5电子伏特，2023年才把这个能量测定到约8.3电子伏特。直到2024年，科学家们才终于确认，需要波长大约为148.3纳米的激光。

好，知道长啥样，赶紧造呗！但新的麻烦又来了。

想造一台真正的“钟”，就不能只闪一下，得让这束激光极其稳定。可偏偏这个148纳米属于真空紫外波段。

这种光极其傲娇，会被空气吸收，现有的光学材料和激光技术对它完全没辙。

这事儿难到连美国军方都无招了，2025年1月，美国国防高级研究计划局DARPA，专门发布了一个叫SUNSPOT的项目，核心目标之一就是死磕钍-229要用的这束激光。。。

然而正当这激光卡住美国人脖子的时候，清华大学丁世谦团队，已经弯道超车了。。。

相比常规思路造激光，他们直接拿“镉蒸气”当介质，通过一种叫“四波混频”的方案，把几束不同频率的激光融合成了一束148纳米的纯净真空紫外光。

经过多年死磕，团队终于搞出了连续、稳定的光源。今年2月，这项成果直接杀上了《Nature》。

有趣的是，这篇光源Nature论文发表时，还因为作者署名引发过一小波网络讨论。当时，清华本科生肖琦是排第一的共同一作，而带他的博士生黄北辰排第四。所以一些网友开始讨论这些大佬的署名顺序和实验贡献到底谁大。

不过不管怎么说，能在这张属于全人类科技史的答卷上写下名字，这俩哥们已经足够让大伙儿献上膝盖了。

有了光，离造出核光钟就剩下最后一道菜：材料。

在核光钟里，要把钍-229像撒盐一样，均匀地揉进一块晶体里。钍-229本来就极其稀缺，晶体生长又容易出现缺陷，还要保证这块晶体绝对透明，不能挡住激光，这种晶体谁给我找啊？

不急，此前欧洲科学家已经找到了一种关键材料，氟化钙。所以接下来，包含清华、北大、上海光机所、清华核研院、上海硅酸盐所、中国计量院等中国顶尖科研机构全军出击，共同来完成核光钟运行实验。

最终，他们用1.4微克的钍-229制成了掺钍氟化钙晶体，然后在清华大学丁世谦团队的努力下，中国人自主研发的核光钟，成了。

至此，我们可以以钍−229核跃迁频率来定义一秒钟：一秒钟，就是钍−229原子核在钍−229m和钍−229基态间跃迁时所辐射的电磁波（紫外光）的周期的2 020 407 384 335 000倍的时间！

对了，这次10月7日的《Nature》大轴论文发表时，黄北辰也已经变成了第一顺位的共同一作，肖琦依然在列 共同一作 。

但抛开这些花边新闻，更巧合的是，中国团队这次居然和欧洲撞车了。但我们撞赢了。

10月7日，清华团队和欧洲团队独立完成的两项核光钟成果，在《Nature》上同期发表。结果一对比大家发现：中国团队的核光钟不仅实现了稳定闭环运行，而且秒级频率的稳定度，优于同期欧洲团队接近整整一个数量级！

最后，再说着这玩意未来有什么用吧。抛开开头营销号的宣传不谈，按照清华团队接受央媒采访的说法，核光钟的用途实际上就是两部分。

一方面，它可以小型化，方便搬上卫星，替代原子钟来承担卫星导航、通信网络和深空探测等高精度授时需求，能彻底解决星载时钟的漂移问题，极大提升测控测量的精度。

更重要的是，它会成为人类探索基础物理的新工具。比如宇宙基本常数为啥是那几个数？暗物质到底有啥影响？宇宙大爆炸刚开始是什么样子？这些都要靠更先进的核光钟去测量和回答。

不过现在的核光钟还没有超过最先进的原子光钟，距离真正小型化、进入卫星或其他实际装备，也还有很长的路要走。

总之，人类花了50年去认识这种特殊的原子核，又花了20多年，才把它第一次变成钟。至于它最终能带人类走向何处，还是交给时间去验证吧。

撰文：纳西

编辑：江江 & 面线

美编：素描

图片、资料来源：

新华社、人民日报、Nature、知乎等，部分图源网络