中国科学家率先成功研制核光钟！秒的定义会被改写吗？

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一秒钟有多长？

日常生活中，我们很少追问这个问题——一秒钟就是秒针走过一格而已。但对于卫星导航、深空探测和精密科学实验来说，哪怕极其微小的计时偏差，也可能影响测量结果。要把时间测得更准，科学家就需要找到比“一格”更可靠的计时基准。

微观世界的原子核也能成为时钟？

图片来源：N. Hanacek/NIST

如今，原子钟已经能够提供非常精确的时间基准，科学家却仍在探索新的计时方式。2026年10月7日，清华大学丁世谦团队在国际上率先研制成功核光钟并实现稳定运行，相关成果已发表于《自然》（Nature）杂志。这项研究将精密计时的目光投向了原子核内部，为发展新一代时间频率基准提供了新的可能。

那么，核光钟究竟是什么？原子核为什么能用来计时？它为什么值得研究，又能为未来的时间测量带来哪些可能？这种种问题，就让我们一同来探索。

原子核，为什么能用来计时？

要理解核光钟，我们不妨先想想：钟表都是怎么计时的？

无论是依靠钟摆周期性运动的机械钟，还是利用石英晶体稳定振荡的石英钟，钟表计时的关键，都是找到一种能够稳定重复的物理过程，再对它进行计数。

然而，机械结构和石英晶体的振荡难免受到制造误差、温度变化等因素影响，计时精度也因此存在局限。随着科学技术的发展，科学家们发现，原子的固有共振频率不会随时间改变，因此，它们可以成为更精密的计时依据。

原子中的电子从第3能级跃迁至第2能级，

并释放一个光子

图片来源：维基百科

原子中的电子只能处于特定的能量状态，在不同状态间转换时，需要吸收或释放特定能量的光子，这就是“能级跃迁”。由于原子跃迁对应的特征频率稳定且可重复测量，科学家便能以此实现精密计时。

以铯原子钟为例，现行国际单位制秒的定义，就建立在铯-133原子基态两个超精细能级之间的跃迁之上。这个跃迁对应的频率被固定为每秒9,192,631,770次振荡，为全球提供了统一的时间计量标准。

铯原子钟

图片来源：The National Physical Labratory

后来，随着激光技术的进步，科学家开始利用频率更高的光来测量原子中电子的跃迁，发展出原子光钟。与传统微波原子钟相比，原子光钟使用的参考频率更高，有利于进行更精细的频率测量。

原子光钟的大致原理

图片来源：改自J. Wang/NIST

然而，即使原子光钟已经非常精确，要让它持续提供稳定的计时参考，科学家仍需尽量减少周围环境的干扰。温度变化、电场和磁场等因素，都可能影响原子的能量状态，让计时参考出现细微偏差。

那么，能不能找到一种受外界环境干扰更小的计时依据，让精密计时再进一步？原子核的能量变化，提供了一个值得研究的方向。

原子光钟与核光钟原理概览

图片来源：清华大学物理系

与核外电子一样，原子核也有不同的能量状态。不过与之相比，原子核的体积小得多，内部的质子和中子，还受到强相互作用的束缚，某些核跃迁可能更不容易受到外界电磁环境的影响。如果这一优势能在实验中得到验证，就有望为精密计时提供更稳定的参考。

让原子核“响应”激光，

这台钟是怎么造出来的？

要用原子核来计时，首先得找到合适的核跃迁。问题在于，原子核内部的能量变化通常需要很高的能量来激发，对应的辐射频率也远超普通光学激光的范围。能够用激光直接激发、又适合精密测量的核跃迁并不多。

一种特殊的放射性同位素——钍-229，成为了突破的关键。它有一个能量较低的核激发态，跃迁能量约为8.4电子伏特，对应的光波长约为148.4纳米，属于真空紫外波段。这个能量虽然仍远高于可见光光子的能量，却让科学家有机会用激光直接探测原子核的能级变化。

钍-229

图片来源：Thirolf/LMU

找到合适的核跃迁还只是第一步，科学家还需要一种能够持续、稳定输出的激光。经过多年研究，清华大学丁世谦团队利用镉蒸气中的四波混频过程，将其他激光的能量转换到目标波段，成功研制出148纳米连续波真空紫外激光。

1、镉原子共振增强四波混频过程；

2、实验示意图；

3、相机拍摄到的真空紫外光斑和干涉条纹

图片来源：清华大学物理系

简单来说，这是一种特殊的光频率转换方法，让团队获得了此前难以稳定产生的短波长激光，也为持续追踪钍-229的核跃迁提供了必要条件。

有了光源，下一步就是让激光的频率与核跃迁准确对应。研究团队将极少量的钍-229掺入氟化钙晶体，再逐步调整激光频率，观察原子核的响应。当激光频率与核跃迁对应的频率相匹配时，就会出现共振信号。

实验原理概览

图片来源：《自然》杂志

此次实验中，激光波长约为148.4纳米，对应频率约为每秒2020万亿次振荡。研究人员通过共振信号确定了核跃迁对应的频率，为后续精密测量提供了基础。

从特殊波段激光的研制，到核钟晶体的制备，再到核跃迁测量与频率锁定，每一步都需要精密技术相互配合。这也意味着，核光钟不再只是停留在理论设想或对核跃迁的单独观测阶段，而是向前迈进了一步，成为能够实际运行的实验系统。

核光钟会改写“秒”的定义吗？

未来还有哪些可能？

既然核光钟有望提供新的精密计时方式，它能否有可能取代现有原子钟，甚至重新定义“秒”呢？

目前，要下这样的结论还为时过早。现阶段讨论“秒”的重定义，重点仍是成熟的光学频率标准。核光钟才刚刚实现稳定运行，还需要进一步验证测量准确度、系统误差和长期运行能力。它未来能否成为新一代时间基准的一部分，仍有待研究。

丁世谦给团队成员示范实操

图片来源：清华大学物理系

不过，除了计时，核光钟还可能帮助科学家探索一些更基础的问题。

例如，物理学中的一些理论认为，某些基本物理常数可能随时间或空间发生极其微小的变化。如果不同物理系统对这些变化的响应不同，科学家就可以通过长期比较不同钟的频率，寻找可能存在的偏差。

钍-229核跃迁对某些潜在新物理效应具有较高的灵敏度，因此，核光钟有望成为检验相关理论的工具之一。

核光钟的未来，让我们拭目以待

图片来源：Tu Wien

在导航定位、深空探测等领域，更精密的时间频率基准也具有潜在价值。更稳定的计时信号有助于提高定位和测距的精度，也能为深空探测器的导航与科学测量提供支持。

从机械钟到原子钟，再到光学原子钟和核光钟，人类不断寻找更加稳定、可靠的物理过程，为时间建立精确的刻度。核光钟能否成为未来计时技术的重要基准，还需要时间和实验给出答案。但核光钟已经从设想走向实际运行，意味着人类探索时间的方式，又向前迈出了一步。

1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-11122-1

2.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/128595.htm

3.https://www.nature.com/articles/d41586-026-03060-9

4.https://www.bipm.org/en/faq-redefinition-second

5.https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-atomic-clocks-work

作者：刘若冰

审核：刘颖 李培元 张超 杨柳

审核专家：梁文杰 中科院物理研究所研究员