原子钟是目前世界上最精确的计时装置。对于最精确的原子钟来说，每400亿年才会出现一秒的误差。但物理学家并不满足于此，一直以来他们都在研究一种新型的计时装置——核钟（nuclear clock）。这种计时装置可能会彻底改写我们测量时间和探索基础物理的方式。
在最新一期的《自然》杂志中，物理学家张传坤、叶军及其同事发表了一项突破性的研究：他们攻克了创建一个可运行核钟过程中的一个关键步骤，朝着制造出一个高度精确且稳定的核钟迈出了关键一步。
激光的精密计时 我们知道，原子钟是通过精确地将激光调谐到能使电子在能级之间跃迁的频率来计时的。而核钟利用的则是原子核中的质子和中子的能量跃迁来计时的。
引起原子核的能量跃迁所需的激光频率比电子所需的要高得多。更高的频率意味着每秒包含更多的波周期，可以更精确地切割时间，因此计时更加精确。除了更高的精度之外，核钟在稳定性方面也有很大的优势。与原子钟中的电子相比，如电磁场等外界干扰对原子核的影响要小得多。
核钟的工作原理是：利用紫外光来激发一种特殊原子（比如钍-229）的原子核。当光以恰当的频率照射原子核时，它会导致原子核改变其能量状态，这就像拨动一个小开关一样。通过精确测量和计算这些能量，科学家就可以制造出一种极其精确的计时装置。
然而，核钟的建造之路充满了挑战。因为这种能量跃迁的发生，需要使用精确具备这种跃迁所需能量的激光。可是对于大多数原子来说，改变其原子核的能态都需要极高的能量，比如需要被相干的X射线撞击，而这远远超出了现有探测激光器技术所能达到的水平。
一种低能的跃迁 为了实现原子核的能量跳跃，科学家聚焦在了一种特殊的原子上，那就是钍-229。 早在1976年，科学家就发现钍-229原子核的基态和第一激发态之间的能隙，比其他任何已知的原子核都要小得多。只需用比X射线能量低的紫外线照射，就可以引发钍-229的核跃迁。2003年，有物理学家提议，可以利用这种跃迁来建造时钟。
然而，原子核的理论模型并不能以足够的精确度预测这种跃迁的能量。因此要找到这种跃迁就意味着要搜索大量可能的值。去年，欧洲核子研究中心（CERN）的一组科学家创建了一种制造钍-229的方法，并首次观测到了这种低能跃迁。与此同时，来自德国和奥地利的一组科学家也利用观测到了钍-229在其他和过程中的衰变。
现在，在新发表于《自然》杂志的这项研究中，科学家以比之前的这些测量精确数百万倍的方法，观测到了钍-229的核跃迁。这一成果终结了长期以来对引发核钟跃迁所需的精确激光频率的马拉松式搜索。
嵌在晶体中的钍-229 在新的研究中，研究人员使用了一种特殊设计的紫外激光器，来精确测量嵌在固体晶体中的钍-229原子核的能量跃迁频率。与此同时，他们还使用了一种被称为光频梳的激光器，其作用就像一个非常精确的光尺，可以产生一组间隔规则均匀的激光频率线，使研究人员可以使用多个精确的频率来进行匹配，进而计算产生这种能量跃迁的紫外波的周期数。
而且在这项研究中，光频梳的神奇之处在于，它能够测量钍-229原子核的频率与另一个已知频率的原子钟的比率，使研究人员能够以极高的精确度来确定绝对频率值。换句话说，他们将这种紫外线频率，直接与一个最精确的、使用锶原子的原子钟所使用的光学频率，进行了比较。
可以说，他们在原子核的能量跃迁和原子钟的跃迁之间创建了首个直接的频率关联，从而创造出了创建一个核钟所需的关键组件。
走向核的未来 这项研究已经取得了前所未有的成果，比如它观测到了钍核形状的细节，这就像是从飞机上看到一片草叶一样，是以前从来没人能够做到的。
虽然研究人员还没有开发出一个完全的真正可运行的核钟，但它包含了一个核钟所涉及的所有关键技术。将钍嵌入固体晶体中，再加上原子核对外部干扰的敏感度降低，为创造出紧凑而稳健的计时设备铺平了道路。
发展出比目前最精确的原子钟还要精确得多的核钟，最终或将带来更精确的导航系统、更快的互联网速度、更可靠的网络连接和更安全的数字通信。
除了日常技术之外，核钟还可能改变我们探索基础物理学的方式：它们有望改善对宇宙运行基本理论的检验，进而带来新的物理学发现。它们可以帮助探测暗物质，检验自然常数是否真的是恒定的，从而在不需要大型粒子加速器设备的情况下，验证粒子物理学中的诸多理论。