未来的新一代钟——原子核钟

在国际单位制的7个基本物理量中, 时间的测量准确度最高、应用最广。以原子钟为代表的时间频率基准引领了计量量子化时代:“原子秒”将秒的复现不确定度指标提高了若干数量级;长度单位米、电压单位伏特, 也基于时间频率进行了重新定义, 获得了更高的准确度。

测量技术不断追求突破极限的趋势, 促使科学家对准确度的提高展开了无止境的追求。若干年前, 科学家就已经提出建造原子核钟的设想。“基于原子核本身振荡原理的原子核钟的出现, 能够将现有的时间准确度提高若干量级”, 德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学的物理学家Peter Thirolf说, “由于原子核比原子小10万倍, 原子核钟受外界环境影响的程度要小得多。”

拥有更高准确度的新一代钟———“原子核钟”日益引起人们的关注。2015年, “欧洲原子核钟项目 (nu Clock) ”获得欧盟“地平线2020研究与创新计划”的资助, 项目周期为2015年至2019年。该项目将研发新一代原子核钟, 预期将比目前世界上正在运行的原子钟准确度提升若干量级。

从古至今, 对时间的测量始终是人类关注的焦点。每一次技术创新都为社会的发展带来即时效益。对天体移动的研究有助于农民掌握丰收的正确时节。机械表革新了航海发展, 随后发明的石英表方便人们能够随时佩戴, 精确度高达每年不差几秒。时至今日, 原子钟的测量准确度已提升至几亿年不差一秒, 它所提供的高精度时间频率应用已经延伸到国民经济各个重要领域, 成为通信、卫星导航、电力、交通、金融系统有效运行的重要手段和基础保障。

原子钟的原理是测量一个电子两种不同量子态的能量差。大多数原子钟使用铯或铷等碱金属原子的单价电子。只有当微波辐射频率与两种不同量子态的能量差精确对应时, 才能使用微波辐射对两种量子态进行转换。因此, 微波辐射频率必须与每个微波光子传递给电子的能量直接对应。使用常见的电子设备能够将这一频率的值转换为时间信号。

此后的新一代原子钟称为光钟。光钟的原理同样是测量原子两种不同量子态的能量差, 只是对应这些量子态能量差的光子是在光学频率波段, 因此用激光替代微波辐射来运行。目前, 光钟比微波钟的准确度已提高了百倍。

为了进一步改善钟的性能, 研究人员要寻找拥有更大能量差的量子态, 并且不易受到外界环境的干扰。由于原子核比电子的所有能级高很多, 因此人们自然而然地想到用原子核的量子态作为未来钟的核心。此外, 电子云能够保护原子核不受周围环境的干扰, 从而减少不可预见的外界作用对测量的影响。2003年, 研究人员建议使用钍229 (Thorium-229) 的原子核建造原子核钟。钍229这种特殊的同位素具有独一无二的特点:它的激发原子核态比基态仅高出几个电子伏, 可用激光对其进行激发, 这种激发状态可维持一小时的亚稳态, 因此更适合用于钟的运行。

然而, 这一亚稳态的能量和寿命目前都属于未知, 这些重要参数的测量遇到巨大的阻碍, 原因是钍229具有放射性, 并且无法自然产生。另外, 用于激发钍原子核的激光器的准确频率尚未确定。尽管如此, 研究团队认为目前相关实验已获得阶段性进展, 未来成功打造可运行的原子核钟是值得并可行的。

假设基于钍229的原子核钟的特性能够获得最大利用, 它可能会成为新一代最准确的钟。将传统原子钟与新一代原子核钟进行比对, 能够用于寻找某些基本常数如QCD耦合参数甚至精细结构常数的变化。

原子核钟的研究显然与中微子物理领域也息息相关, 比如在原子核钟项目中研制出的伽马探测器同样也能应用于中微子静质量的测量。

从一个更广阔的角度来看, 在原子核系统研发过程中日渐成熟的光谱测量技术能够得到更广泛地应用, 并且, 人们将可能首次使用激光来操纵原子核。