全球首批核钟诞生：维也纳与北京团队改写时... Features
根据路透社2026年10月8日报道，奥地利维也纳和中国的两支独立科研团队分别成功研制出全球首批运行中的核钟（nuclear clocks）。这两台设备基于钍-229原子核的激光激发，标志着时间测量领域继原子钟之后又一次革命性突破。研究论文同时发表在国际顶级期刊《自然》（Nature）上。科学家表示，核钟有潜力在卫星导航、数据传输同步以及探索暗物质等基础物理问题上发挥关键作用，尽管其当前精度尚未超越最先进的光学原子钟。
撒糖互动核钟与原子钟的本质区别
传统原子钟通过测量原子外层电子在能级间跃迁时吸收或释放的电磁波频率来计时，例如铯原子钟定义了一秒的官方长度。而核钟则将测量对象深入到原子核内部：用高能激光激发钍-229原子核的核异构体（nuclear isomer），通过监测核能级跃迁产生的光子频率来计秒。核能级受外部电场、磁场的干扰远小于电子能级，因此在理论上可以达到比现有原子钟更高的长期稳定度和精确度。维也纳团队发言人、维也纳大学物理学家 托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm） 在新闻稿中表示：“原子核就像一个被坚固外壳保护的微小振荡器，外界环境几乎影响不到它。这是核钟最吸引人的特性。”
世纪婚礼
两支团队的独立突破
维也纳团队由维也纳大学和奥地利科学院联合组成，采用固态氟化钙晶体掺杂钍-229的方式，利用紫外激光激发晶体中的钍核。北京团队则由清华大学和中国计量科学研究院领衔，使用类似晶体但构建了不同的激光系统。两个团队在2026年10月8日同时于《自然》杂志发表成果，各自展示了可重复运行的原型。路透社报道指出，维也纳原型在约2小时内保持稳定运行，而北京原型则在更高温度下首次演示了核钟信号的锁相控制。
钍-229：核钟的关键材料
钍-229是迄今为止唯一已知具有低能量核异构体的元素，其激发态与基态之间的能量差仅约8.3电子伏特，对应真空紫外波段。这一特性使得普通激光器经过倍频后就能直接驱动核跃迁，无需高能粒子加速器。两个团队均使用人工合成的钍-229同位素，将其掺入氟化钙晶体中。晶体不仅固定了原子位置，还提供了合适的晶格环境，减少了核跃迁的谱线展宽。根据《自然》编辑的总结，这项技术“巧妙地将核物理学与固态量子光学结合在一起”。
原子钟与核钟关键参数对比
| 项目 | 传统铯原子钟 | 光学原子钟（如锶钟） | 首批核钟原型 |
|---|
| ------ | -------------- | ---------------------- | -------------- |
|---|
| 核心参考粒子 | 铯-133原子外层电子 | 锶-87/镱-171电子 | 钍-229原子核 |
|---|
| 跃迁频率 | ~9.2 GHz（微波） | ~429 THz（可见光） | ~1.8 PHz（真空紫外） |
|---|
| 当前稳定度 | 1×10⁻¹⁴ @ 1s | 1×10⁻¹⁸ @ 1000s | 1×10⁻¹⁵ @ 1s（原型） |
|---|
| 理论极限稳定度 | 10⁻¹⁶量级 | 10⁻¹⁹量级 | 10⁻²⁰量级 |
|---|
| 体积 | ~1m³（实验室级） | ~2m³（实验台） | 可缩小至0.1m³ |
|---|
| 应用状态 | 全球时间标准（1955年至今） | 国家时间基准（2000年代） | 首次运行（2026年） |
|---|
应用前景：从GPS到暗物质探测
参与研究的科学家指出，核钟未来有望大幅提升卫星导航系统的定位精度。目前GPS依赖铯钟，误差约1米；换成核钟后误差可降至毫米级。此外，高速数据网络中，不同节点间的纳秒级同步需求也可由核钟满足。更前沿的应用是基础物理：由于核钟对外界扰动高度不敏感，科学家可利用其长期稳定性检验基本物理常数是否真的恒定。同时，探测超轻暗物质粒子时，核钟的频率变化可能提供间接信号。北京团队负责人、清华大学教授 常超 路透社采访时表示：“我们设想核钟在五年内实现可运输版本，并首先用于引力波探测和暗物质搜寻。”
当前局限与未来挑战
尽管首批核钟已经运行，但其短期稳定度落后于最先进的光学原子钟约三个数量级。主要限制因素包括：激光线宽不够窄、晶体对激光吸收导致热噪声，以及钍-229样品纯度不足。维也纳团队在论文中承认，目前核钟暂时还无法取代光钟担任秒定义标准，但“核钟的独特优势在于小型化和对环境干扰的免疫力”。两个团队均计划升级激光系统，并研发更纯净的晶体。路透社分析指出，核钟的实际应用可能需要5至10年的工程优化。
常见问题解答
Q1: 核钟是利用核裂变或核聚变发电的吗？
A1: 完全不是。核钟的“核”是指其计时基准来自于原子核内部的能级跃迁，而非核反应。它使用高功率激光激发钍-229原子核，通过测量激发光子的频率来定义时间，整个过程不涉及任何核裂变或聚变，也不产生能量输出。
Q2: 核钟何时能进入民用产品？
A2: 目前还处于实验室原型阶段。科学家预计，如果解决激光器小型化和晶体生长技术瓶颈，可在5至10年内制成鞋盒大小的核钟，首先用于科学研究和国家级时间标准，然后逐步扩展到通信、导航等商业领域。
总结与展望
维也纳与北京团队同时实现核钟运行，证明了基于原子核的计时原理切实可行。尽管还需克服精度差距，核钟已为下一代时间测量技术奠定了基础。未来，核钟或与光学原子钟互补，共同推动人类在某些领域将时间测量精度推向10⁻²⁰量级，开启探索宇宙的新窗口。
