原子核開始“滴答”：核鐘終于來了，它會取代光鐘嗎？

2026年夏天，物理學(xué)界傳來一個有些科幻感的消息：世界第一批核鐘，在歐洲和中國的實驗室里，幾乎同時發(fā)出了第一聲"滴答"。

這不是你手腕上那塊表的滴答聲。這是一種以原子核內(nèi)部的振動作為節(jié)拍器的時鐘，理論上可以做到3000億年不差一秒。聽起來像是要終結(jié)所有原子鐘的"終極武器"？

別急。在激動之前，我們得先搞清楚兩個問題：第一，核鐘到底是什么？第二，它能取代現(xiàn)有的光鐘嗎？

▲ 研究人員正致力于建造世界上第一臺核鐘。 這是一張真空腔內(nèi)部的圖像，腔內(nèi)裝有摻入釷-229同位素的晶體，這些晶體可通過激光激發(fā)。圖片來源：Ye Labs/JILA/NIST/科羅拉多大學(xué)

鐘表的本質(zhì)，就是一個穩(wěn)定的“擺”

人類計時史，本質(zhì)上就是一部尋找更穩(wěn)定“擺”的歷史。

鐘擺是擺，石英晶振是擺，而今天最精準的原子鐘，它的“擺”是原子外層電子在能級之間躍遷時發(fā)出的光波。物理學(xué)家把激光的頻率鎖定在這個躍遷頻率上，就像把一個搖擺不定的秋千死死固定在一個節(jié)奏上，得到了一個極其穩(wěn)定的“滴答”聲。

▲鍶原子在1S0和3P0狀態(tài)之間的躍遷作為光晶格鐘的參考。當光信號與躍遷共振時，其頻率可以被非常精確地界定

目前最先進的光鐘，穩(wěn)定度已經(jīng)達到了什么程度？2026年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、戴漢寧團隊研制的鍶原子光晶格鐘，不確定度達到9.2×10-19 ——換句話說，運行300億年，誤差不超過1秒。

300億年是什么概念？宇宙大爆炸至今也才138億年。這臺鐘從頭走到現(xiàn)在，誤差還不到半秒。

但物理學(xué)家總是貪心的。他們想要更穩(wěn)、更不受干擾的“擺”。于是，他們把目光從原子外圍的電子，轉(zhuǎn)向了原子內(nèi)部那個小小的原子核。

核鐘和光鐘，差別在哪里？

光鐘看的是電子，核鐘看的是原子核。

區(qū)別有多大？清華大學(xué)物理系的丁世謙副教授打了一個比方：電子質(zhì)量很輕，像一片羽毛。周圍任何風(fēng)吹草動——一點點電磁場波動、溫度變化、哪怕是一絲黑體輻射——都會讓這片羽毛飄搖不定。

而原子核又重又小，像一塊堅硬的石頭。外部環(huán)境的干擾很難撼動它。歐洲核鐘團隊的核心成員Thorsten Schumm給出過一個數(shù)據(jù)：核躍遷對環(huán)境噪聲的敏感度，比原子躍遷低1000到10000倍。

正是因為原子核這么“遲鈍”，它對外界干擾幾乎“無感”，所以用它來計時，理論上可以做到極其穩(wěn)定。科學(xué)家估計，核鐘的潛力精度有望逼近10-20 甚至更高量級。

但注意，這只是理論潛力。就像一輛設(shè)計時速500公里的賽車，在實驗室跑道上和在實際公路上是兩碼事。核鐘的真正精度，還需要未來幾年的實測來證明。

為什么偏偏是釷-229？

問題來了：大多數(shù)原子核的躍遷都需要極高能量，比如X射線甚至伽馬射線級別的能量，普通激光根本撬不動。

但元素周期表里有一個幸運兒：釷-229。它的原子核有一個特殊的低能激發(fā)態(tài)，躍遷能量大約只有8.4電子伏特——這個能量剛好對應(yīng)波長約148納米的真空紫外光，處于現(xiàn)有激光技術(shù)可以觸及的范圍。

換句話說，在茫茫元素周期表中，釷-229是唯一一個能用激光直接操控的原子核躍遷。它天然就是核鐘的“天選之子”。

▲用激光激發(fā)釷-229原子核的低能躍遷示意圖 圖片來源：APS

不過，這個“天選之子”給物理學(xué)家出了不少難題。148納米的真空紫外光在空氣中幾乎會被完全吸收，只能在真空中傳輸；更麻煩的是，制造這種激光不僅需要真空環(huán)境，還面臨著線寬和穩(wěn)定性的巨大挑戰(zhàn)——早期的脈沖激光線寬太寬，無法用于精密頻率鎖定。解決問題的關(guān)鍵在于將激光從“脈沖”變?yōu)椤斑B續(xù)光”：連續(xù)光激光器的線寬比脈沖光窄得多，這是實現(xiàn)精密鎖頻的前提。

2025年12月，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的研究人員率先取得突破，利用四硼酸鍶（SBO）晶體通過隨機準相位匹配產(chǎn)生了二次諧波，證明了在148納米波長實現(xiàn)連續(xù)波輸出的可行性。然而，這臺激光器的功率僅為1.3納瓦。

2026年2月，清華大學(xué)丁世謙團隊另辟蹊徑，采用基于鎘蒸氣四波混頻的創(chuàng)新方案，造出了功率超過100納瓦的連續(xù)波真空紫外激光，比PTB的方案高出近兩個數(shù)量級。

2026年夏天：核鐘終于響了

有了激光“手術(shù)刀”，下一步就是讓核鐘真正跑起來。

核鐘的研制有幾個關(guān)鍵臺階：第一步，用激光“撞響”原子核——也就是激發(fā)核躍遷。這一步在2024年已經(jīng)被多個團隊攻克。2024年4月，歐洲團隊（維也納量子科學(xué)與技術(shù)中心與德國PTB合作）率先在摻釷氟化鈣晶體中實現(xiàn)了釷-229核躍遷的首次直接激光激發(fā)。

同年7月，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Eric Hudson團隊在摻釷氟化物晶體中獨立實現(xiàn)了核躍遷的激光激發(fā)。緊接著在9月，美國JILA的葉軍團隊利用真空紫外頻率梳和鍶原子光鐘，精確測定了核躍遷的絕對頻率。至此，核鐘關(guān)鍵的兩個“拼圖”——激發(fā)和測頻——都已就位。

第二步，把激光頻率牢牢鎖定在核躍遷頻率上，讓它持續(xù)穩(wěn)定地“滴答”——這叫“閉環(huán)”。閉環(huán)是從理論構(gòu)想到第一次實現(xiàn)的實驗室驗證，是未來走向?qū)嵱脙x器的必經(jīng)之路。

2026年6月初，兩個團隊幾乎同時撞線。一支是歐洲團隊，由維也納量子科學(xué)與技術(shù)中心和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB） 合作完成，他們在6月3日提交了論文。另一支是清華大學(xué)丁世謙團隊，在6月7日提交了成果。兩個團隊都成功實現(xiàn)了核鐘的閉環(huán)運行，世界第一批核鐘終于發(fā)出了持續(xù)、穩(wěn)定的“滴答”聲。

不過，兩個團隊實現(xiàn)閉環(huán)的技術(shù)路線略有不同。歐洲團隊采用的是一種脈沖式操作的連續(xù)激光方案——激光本身是連續(xù)波，但在兩個接近共振的頻率之間快速切換（脈沖式時序），通過比對兩個頻率下的吸收差異來鎖定核躍遷頻率。而清華大學(xué)團隊走的是基于連續(xù)激光的調(diào)制解調(diào)鎖定方案——用他們自主研制的148納米連續(xù)波超窄線寬激光直接鎖定核躍遷。兩種方案各有優(yōu)劣，脈沖式操作在技術(shù)上更早成熟，而連續(xù)波方案在頻率穩(wěn)定度上潛力更大。

但是，閉環(huán)只是一個開始。這就像人類第一次造出了蒸汽機，但它能跑多快、多穩(wěn)、多耐用，還需要漫長的調(diào)試和優(yōu)化。目前全球有近十個團隊在核鐘的不同技術(shù)路線上并跑，有做固體核鐘的，有做離子阱核鐘的，誰能在精度和實用性上最終勝出，遠未到揭曉的時候。

除了上述兩個率先實現(xiàn)閉環(huán)的團隊，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)也在核鐘的核心技術(shù)上進行了深度布局，在離子阱、摻釷晶體材料和激光技術(shù)等方向持續(xù)攻關(guān)。美國方面，JILA的葉軍團隊聚焦于核鐘的頻率復(fù)現(xiàn)性研究——說白了就是“測得更準”，2026年在《自然》雜志上發(fā)表了相關(guān)成果。在2026年6月第29屆國際原子物理大會（ICAP）上，葉軍還在大會報告中展示了該團隊在148納米激光方面的最新進展。

那光鐘呢？它要被淘汰了嗎？

絕對沒有。

恰恰相反，光鐘目前依然是人類計時精度的巔峰。中國科大的鍶原子光晶格鐘已經(jīng)做到了10-19 量級的不確定度，是當今世界最精密的測量工具之一。光鐘不僅將支撐“秒”的重新定義，還在檢驗相對論、探測引力波和暗物質(zhì)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著實際作用。

事實上，核鐘和光鐘并不是兩條完全獨立的賽道。它們共享著大量核心技術(shù)——激光穩(wěn)頻、離子阱囚禁、光梳測量，這些都是光鐘領(lǐng)域花了幾十年時間打磨成熟的技術(shù)。核鐘的真正突破在于把“參考”從原子外層電子換成了原子核，但支撐它運行的“工具箱”很大程度上是光鐘留下來的遺產(chǎn)。從這個意義上說，核鐘不是憑空造出來的，而是站在光鐘肩膀上向前邁進的一步。

那為什么還要做核鐘？核鐘和光鐘追求的目標都是更高的精度，但核鐘對外界干擾的敏感度比光鐘低。這意味著未來如果核鐘要沖擊極限精度，雖然同樣需要像光鐘那樣評估和控制外部環(huán)境的影響，但實現(xiàn)同樣性能所需的苛刻程度大大降低。這種優(yōu)勢既為核鐘贏得了進一步提升精度的空間，也讓它在理論上更容易走出實驗室。因此，可以把核鐘理解為一種“既精又韌”的新工具。

不過，核鐘的“精”目前還停留在理論層面。它到底能不能真正超越頂尖光鐘，還需要未來的實測來驗證。光鐘是已經(jīng)驗證的精密工具，核鐘是充滿潛力的新方向——兩者在很長時間內(nèi)將是互補共存的關(guān)系，而非誰取代誰。

接下來看什么？

核鐘的“滴答”聲已經(jīng)響起，但好戲還在后頭。

接下來，值得關(guān)注的問題有幾個：核鐘的實際精度到底能達到多少？固體核鐘和離子阱核鐘分別能走多遠？核鐘能不能真正走出實驗室，在深空導(dǎo)航、自主定位這些場景里派上用場？

還有最令人興奮的一點：核鐘對宇宙基本常數(shù)的變化極其敏感。如果精細結(jié)構(gòu)常數(shù)有任何極其微小的漂移，核鐘可能會第一個“察覺”。這或許能幫我們探測到暗物質(zhì)，甚至發(fā)現(xiàn)超越現(xiàn)有物理標準模型的新現(xiàn)象。

無論如何，人類丈量時間的方式，正在翻開新的一頁。而這頁紙的第一行，寫著一行小字：

“原子核開始滴答了。”

參考文獻

[1] 國家自然科學(xué)基金委員會. 我國學(xué)者研制出核光鐘真空紫外光源[EB/OL]. (2026-02-12).

[2] 清華大學(xué). 一支平均年齡不到30歲的團隊，如何攻克“核光鐘”核心瓶頸？[EB/OL]. (2026-02-12).

[3] 清華大學(xué)物理系. 物理系丁世謙團隊研制出核光鐘真空紫外光源[EB/OL]. (2026-02-12).

[4] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院. 我院潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等實現(xiàn)穩(wěn)定度和不確定度均達到10?1?量級的光鐘[EB/OL]. (2026-03-06).

[5] Zhang C, Ooi T, Higgins J S, et al. Frequency ratio of the 22?mTh nuclear isomeric transition and the ??Sr atomic clock[J]. Nature, 2024, 633(8028): 63-70.

[6] Peik E, Tamm C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229[J]. Europhysics Letters, 2003, 61(2): 181-186.

[7] Nature News. The first ticking ‘nuclear clocks’ are here — what can they do?[EB/OL]. (2026-06-22).

[8] Elwell R, Schneider C, Jeet J, et al. Laser Excitation of the 22?Th Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host[J]. Physical Review Letters, 2024, 133: 013201.

[9] Toscani De Col L, et al. A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop[J]. arXiv:2606.04997, 2026.

[10] Ding S Q, et al. A nuclear clock based on 229Th[J]. arXiv:2606.08870, 2026.

[11] Zhang C, et al. Frequency reproducibility of solid-state thorium-229 nuclear clocks[J]. Nature, 2026, 650: 72-78.

[12] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué). 釷原子核光鐘進展（丁世謙報告摘要）[R]. 2025-03-13.

[13] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué). 基金委通知：“229Th核鐘躍遷精密光譜及關(guān)鍵技術(shù)研究”專項項目[EB/OL].

[14] Lal N, Tiedau J, Zhang K, et al. Continuous-wave laser source at the 148 nm nuclear transition of 229Th[J]. Optica, 2025, 12(12): 1971-1974.

[15] Scientific American. We are on the cusp of ultraprecise clocks[EB/OL]. (2026-03-28).

[16] 科學(xué)網(wǎng). 歷經(jīng)數(shù)十年，難以捉摸的“核時鐘”有望實現(xiàn)[EB/OL]. (2026-03-23).

[17] DeepTech深科技. 中歐科學(xué)家同期獨立造出世界首批核時鐘，人類重新定義時間[EB/OL]. (2026-06-23).

[18] Zhang K, Tiedau J, Okhapkin M V, et al. Direct Laser Excitation of the 229Th Nuclear Clock Transition in a Solid-State Host[J]. Physical Review Letters, 2024, 132: 182501.

來源：墨子沙龍

編輯：LogicMoriaty

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原公眾號