核钟突破！自稳定核钟问世，原子钟或遭淘汰

据科学日报（ScienceDaily）报道，维也纳工业大学的研究团队成功研制出全球首台自稳定核钟，这一突破性技术有望在未来超越最精准的原子钟，开启超精准计时的新纪元。核钟不再依赖原子中的电子，而是利用钍原子核的微小结构，其对外界扰动的敏感度远低于传统原子钟。

核钟原理：为何选择钍原子核

核钟的核心在于利用原子核的能级跃迁来计时。普通原子钟依赖原子外层电子的振动，而原子核通常需要极高能量才能改变状态。然而，钍-229同位素却是个例外——它的两个核能级之间的能量差极小，仅用激光就能触发跃迁。这一特性让研究者能够用激光精确控制核的状态，从而作为计时的稳定基准。

“原子核比原子小一万倍以上，因此对外界电磁场、温度变化等干扰几乎免疫。”维也纳工业大学教授托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）解释道。这正是核钟潜在精度的来源。

突破历程：从激光激发到自稳定

核钟的研发历经数十年。2024年4月，舒姆教授团队与德国联邦物理技术研究院（PTB）的埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik）团队合作，首次用激光成功激发了钍原子核——这是全球科学界苦苦寻找数十年的关键突破。同年秋季，他们进一步将钍激发装置与光学原子钟连接，证实核跃迁可作为高精度计时参考。

但当时仍缺少最后一块拼图：核钟无法独立维持自身精度，必须依赖外部原子钟校准。如今，维也纳团队彻底解决了这一问题，实现了完全自稳定。

自稳定机制：如何实现独立计时

新核钟的核心是一个由维也纳工业大学制造的特殊晶体，其中嵌入了钍原子。激光照射晶体，与钍核相互作用。当激光频率精准匹配核跃迁频率时，钍核会大量吸收激光；一旦频率漂移，吸收量骤降，系统立即检测到变化并通过反馈回路自动调整激光频率，使其回到正确值。

“激光的振荡频率可以用来计时，但频率会因温度波动等微小干扰而偏移。我们的反馈机制确保激光始终以同一节奏‘滴答’。”舒姆教授在采访中强调。这一设计让核钟无需任何外部参考，即可连续稳定运行超过24小时——这是历史上首次。

精度表现：每秒误差3000万年仅一秒

为评估原型性能，团队连续测量一天，测得核钟的相对精度达到10的负15次方，相当于每3000万年仅误差1秒。尽管这一数字并非实际长达数百万年的测试结果，而是根据短期测量推算的，但足以展现早期原型的惊人准确度。\n\n| 对比项 | 光学原子钟（当前标杆） | 维也纳核钟原型 |\n|---|---|---|\n| 基准 | 原子电子跃迁 | 钍-229核跃迁 |\n| 对外界干扰敏感度 | 较高 | 极低 |\n| 相对精度 | 约10的负18次方 | 约10的负15次方 |\n| 连续运行能力 | 需外部校准 | 自稳定>24小时 |\n\n## 与原子钟对比：优势与局限\n\n目前，新核钟的精度尚未超越世界最佳光学原子钟（后者可达到10的负18次方），但这只是第一款原型机。核钟的核心优势在于其原子核的微型尺寸，使其几乎不受环境干扰，理论上精度上限远高于原子钟。舒姆教授坦言：“这还不是世界最好的光学原子钟的水平，但作为第一款原型，已经是不可思议的成果。”\n\n## 未来展望：迈向更精准计时\n\n团队计划使用更强大的激光和更高品质的钍晶体来进一步提升精度，最终目标是让核钟超越原子钟，成为新的时间标准。这一技术不仅推动计时学发展，还能改善其他物理量的测量精度，为探索自然界基本常数提供更灵敏的工具。\n\nQ1：核钟与原子钟有何本质区别？\nA1：原子钟利用原子外层电子的振动作为节拍器，而核钟利用原子核内部的能级跃迁。原子核比原子小一万倍以上，因此对环境变化（如温度、电磁场）的敏感性极低，理论上可实现更高的计时稳定性。\n\nQ2：核钟何时能取代原子钟？\nA2：目前核钟原型还在早期阶段，精度尚落后于顶级光学原子钟。但随着激光技术、晶体材料等领域的进步，科学家预测未来5-10年内核钟有望达到甚至超越原子钟的精度，届时将广泛应用于卫星导航、深空探测、基础物理研究等领域。\n\n回顾这场历时数十年的科学探索，维也纳团队用第一台自稳定核钟证实了基于原子核的计时概念可独立运行。随着技术迭代，核钟将重新定义“精准”的边界，引领人类迈入以原子核为节拍器的超精密计时时代。