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闰秒退休,中国团队把“钟摆”换进了原子核

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10月15日,国际计量大会投票通过实施“连续协调世界时”,取消闰秒。用了半个多世纪的闰秒,被正式送进了历史。

闰秒原本的任务,是给原子钟的均匀秒和地球自转的不均匀节奏“打圆场”,人类决定不再为了“秒级的面子”,去“打补丁”了。

而还有一条更值得展开的时间线——就在闰秒决议通过前一周多,10月7日,清华大学丁世谦团队在国际上率先研制出核光钟并实现稳定运行,相关成果在线发表于《自然》。标志着核光钟从“看见信号”走到了“真正走起来”的阶段。


《A nuclear clock synchronized to 229Th》10月7日发表于《自然》

闰秒退场,解决的是旧时间标尺怎么用;核钟推进,回答的是新时间标尺能不能更稳。


光听名字,很容易把核钟想成核电站缩小版,或者靠放射性衰变倒计时。都不是,核钟的“钟摆”,是原子核内部两个能级之间的跃迁频率。

原子核内部有两个能量台阶,它在两者之间“跳一下”时会对应一个极其固定的频率,核钟就是拿这个频率来数时间。它不靠核裂变、核聚变,也不靠衰变,只靠一束频率极其讲究的光去“读取”这次跃迁。


Experimental platform for a solid-state 229Th nuclear clock.

要理解它为什么值得研究,得先看原子钟的“软肋”。

今天最顶尖的原子光钟,精度已经夸张到300亿年误差不超过一秒,远超宇宙年龄。但它计时的“摆”,是原子外层电子的跃迁。电子质量轻、分布范围大,用科普圈一个很形象的比喻:电子像一片羽毛,外界一点点电磁场波动、温度变化,甚至热辐射,都可能让羽毛飘一飘。

核钟换了一块“摆”:原子核又小又重,外界电磁场想撼动它,难度高得多。同一个比喻里,原子核像一块石头。这种“迟钝”放在计时领域恰恰是优点:参考标准越不容易被外界带偏,钟就越稳。原子核像个“社恐”,不爱搭理外界环境,反而成了时间基准的优点。


核钟概念不新,难在“够得着”。

清华团队这次做到的,就是利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光以及掺钍-229氟化钙晶体,在国际上率先研制出核光钟并实现其稳定运行,将量子精密测量由电子跃迁拓展至原子核跃迁。

核钟强在哪?

首先是抗干扰的物理底子更好,核跃迁本身对外界电磁场和温度扰动理论上更不敏感。其次是精度天花板更高,原理上为逼近更高精度提供了新路径。


核光钟概念图(研究团队供图)

还有一点值得展望——核钟的小型化潜力。顶尖原子光钟需要复杂的激光冷却和电磁阱,基本只能待在实验室,而固态核钟的核心可以是一块毫米级掺钍晶体,未来有望做得更紧凑、更皮实,为卫星导航、深空探测、移动平台守时等场景提供不依赖外部信号的高精度时间基准。

此外,钍-229核跃迁对基本物理常数变化比较敏感,还可以用来寻找精细结构常数是否随时间变化、探索暗物质等前沿问题。时间装置不只是“看表”,也可以用来“看宇宙”。

当然,潜力不等于现状,当前最精密的原子光钟仍是经过验证的巅峰。原子钟成熟、应用广,是当前守时、导航、通信、金融系统的地基。

核钟新、潜力大,但还在从实验室走向实用的路上,两者在很长时间内更可能是互补关系。


核光钟实验装置核心区域(研究团队供图)

真正值得注意的是方向,闰秒退场,是人类对“时间怎么用”做了一次减法,不再让秒级手动补丁绑架连续运转的数字社会。

核钟推进,是在“时间怎么产生”这一层继续深挖,把计时的锚点从相对敏感的电子,移向更沉稳的原子核。

一个在做减法,一个在做深挖。中国团队在这条新标尺的校准中,已经不只是旁观者。

图源 nature官网 《A nuclear clock synchronized to 229Th》 清华大学丁世谦团队

橙柿互动·都市快报 记者 金静馨

编辑 刘景燕

审核 毛迪 金立鹏

校对 王建英

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