两台原型钟同一天开机
2026 年 10 月 7 日，维也纳工业大学和清华大学牵头的两个团队在同一期《Nature》上背靠背发文。他们宣布造出了世界前两台可运行的核钟。物理学界等了将近 50 年的想法，在同一天变成了两台能独立走时的物理设备。
北京团队牵头人之一、清华大学物理学家 Shiqian Ding 评价说，两条独立路线同时做成，验证了基础概念的稳健性。两个团队用的激光方案不同，晶体供应来源也不同，这条路没有绑在某一种特定硬件上。
维也纳这台钟由维也纳工业大学与德国联邦物理技术研究院（PTB Braunschweig）合作完成，是双方从 2024 年一路推进的结果。
为什么核钟让人等了五十年
在此之前，人类最好的计时器是光钟。光钟依靠电子在能级间的跃迁来标定时间，大约 1000 亿年才会积累 1 秒误差。新诞生的核钟抛弃了外围电子，改数钍-229 原子核在两态之间的来回抖动。原子核的体积比整个原子小一万倍以上，对外界电磁环境扰动的反应更为迟钝，先天具备做高稳定度时钟的物理底子。
物理学家从 2003 年就开始寻找钍-229 的共振频率，试图用激光激发出原子核的同频共振。历经二十年时间，研究者才把这个关键频率定死在 148 纳米波长的紫外频段。钍-229 的核异构态两个能级间隔极小，是目前已知唯一能用激光激发的原子核。
维也纳团队与 PTB 的研究人员在 2024 年 4 月第一次用激光激发了钍核的跃迁。直到 2024 年秋天，他们才把钍核激发装置与一台常规光钟耦合，用钍核当时间基准。从观察到单次激发，到设备能独立走时，中间隔了两年；这两年的工程量都花在把反馈闭环做出来。
图：真空系统里装着钍核的氟化钙晶体（含固定座），激光正在探测其中的钍核。来源：Thorsten Schumm / TU Wien
148纳米紫外光掰动原子核
148 纳米的光照射上去，原子核会在「被挤扁」和「弹回」之间快速切换。精确记录这个形态切换的次数，就是核钟维持计时的底层机制。
通讯作者 Thorsten Schumm 解释了系统的自稳定机制：激光改变钍核的能态，钍核被反过来用于稳定激光频率。激光频率一旦发生偏离，钍核的光子吸收率会明显下降，系统据此自动把频率调回标准值。把激光发射和晶体吸收耦合为一个自动反馈网络后，温度波动这类干扰在硬件层面上就被压住了。
这台原型钟目前的日内测量精度约为 10^-15，相当于 3000 万年误差 1 秒。它的精度比现在的铯基准钟差了 10 倍，比世界最好的光钟差了一万倍。但这台原型钟完整跑通了原子核计时的全流程，把基础物理的理论推演变成了可以直接优化关键组件的硬件迭代项目。
图：维也纳那间暗下来的实验室，有人在光学台前工作。同一间屋子里，一台会自己站稳的核钟正在走时。来源：Matthias Heisler / TU Wien
1微克钍换来大功率激光
两台同时做出的原型钟，刚好卡在高度互补的短板上。钍-229 的核异构态半衰期约 8000 年，在自然界几乎不存在，研究者只能从武器级铀的衰变产物中定向提取。材料的稀缺程度直接决定各团队的工程路线：谁的钍更少，谁就得把激光做得更强。
北京团队手里只有 1 微克钍-229。为了在这点微量材料上激发出足够强的信号，他们自研了用加热镉气体产生 148 纳米大功率激光的技术路线。公开报道显示，北京团队这套高功率激发方案最终实现了维也纳版本约 6 倍的计时稳定性。
维也纳团队目前拿不到如此大功率的紫外激光系统，但他们掌握着浓度更高、光学性能更优越的钍掺杂氟化钙晶体。一边突破了激光发生器的功率瓶颈，另一边拉升了核心耗材的光学纯度，两套方案的零件一旦互换，下一代设备的性能会直接受益。
图：实验室里的钍晶体真空腔与调整激光的操作台。来源：Thorsten Schumm / TU Wien
差异不在原理在零部件
Schumm 将两个团队目前的并跑状态形容为一场激烈但友好的全球竞争。这不再关乎某种新物理机制能否成立，核心已经变成了一场拼装最优系统的资源竞速。
下一代核钟的性能飞跃不需要再等某个实验室单打独斗几十年，后续研究者只需要把大功率镉蒸气激光和高浓度氟化钙晶体这两种现成技术拼装在一起。竞争的焦点从寻找物理机制转到制造更纯的晶体和更强的激光。
用微小节拍捕捉暗物质
核钟的潜在应用清单覆盖了卫星导航系统、数据传输同步网络以及高精度的大地测绘与计量体系。未参与研究的 UCLA 物理学家 Eric Hudson 评价称，这个领域正在以惊人的速度前进。卫星导航与数据同步这类场景对钟的依赖，决定了核钟的下一个门槛是能不能被搬出实验室。
在更长远的未来，核钟将被直接用于暗物质探测与基础物理常数检验。假如有暗物质粒子穿过钍核，它会在核钟稳定的节拍上留下一次微小但可测量的抖动。莱布尼茨大学汉诺威分校的理论物理学家 Elina Fuchs 指出，核钟为观察暗物质对原子核的影响开了一扇新窗口。
目前的核钟距离捕捉暗物质还有一定距离。未知的核参数导致灵敏度因子无法精确计算，晶体内部的钍核环境干扰、系统的小型化和可搬运性仍是亟待攻克的难题。核钟从五十年的理论构想变成两台同时运行的设备，让原子核计时正式成为一条可复现的工程路线。下半场比拼的焦点已经改变：谁的晶体与激光能率先达到工业级量产的标准，谁就能定义下一代时间。
参考链接：
- 维也纳团队 Nature 论文
- 北京团队 Nature 论文
- TU Wien 官方新闻稿
- Hacker News 讨论
