首批核鐘在維也納和北京開始走時，物理學家等了50年

一座以原子核而非電子來計時的核時鐘，終於開始滴答運轉。在維也納，一道鎖定封存在晶體內釷原子核的雷射，在無人介入的情況下維持自身節奏超過整整一天；北京的一支團隊則獨立打造出第二座同類型時鐘。

這使它們成為首批可運作的核時鐘——物理學家追尋數十年的裝置。原子核極其微小，且受到自身電子雲屏蔽，因此雜散場、熱與振動幾乎無法影響它。以原子核打造的時鐘，終有一天或許能比支撐衛星導航、網際網路與秒定義的原子鐘更穩定地計時。

維也納時鐘來自 TU Wien 的托斯滕・舒姆（Thorsten Schumm）團隊，以及德國國家計量研究院 PTB 的埃克哈德・派克（Ekkehard Peik）團隊。北京時鐘則出自清華大學丁世謙（Shiqian Ding）領導的團隊，並與另外13家中國機構合作。兩篇論文皆刊登於同一期《Nature》，且都使用同一種罕見同位素：釷-229。

「打造核時鐘，是物理學家近50年來夢寐以求的事。」舒姆告訴 Reuters。他自己的團隊自2008年起便一直朝這個目標努力。

晶體與雷射如何共同計時

每一座時鐘都需要某種以固定速率振盪的東西。對擺鐘而言，那是鐘擺；對原子鐘而言，則是電子在兩個能階之間躍遷時所吸收的光，而在最先進的現代光學時鐘中，這種振盪速度遠遠超過任何機械零件所能達到的程度。

核時鐘則把這項工作移入原子核內部。質子與中子同樣具有能階，但幾乎所有能階都高得無法讓任何雷射觸及。釷-229是例外：它的原子核具有一個激發態，其能量足夠低，可由波長約148奈米的真空紫外光驅動。要命中這個能階仍然非常困難。根據 PTB 的說法，雷射必須將轉換能量匹配至百萬分之一電子伏特以內。

舒姆的團隊培育出摻雜釷-229的氟化鈣晶體；這些毫米尺度的晶體，可在室溫下容納大量原子核。「基本概念很簡單：你有一台雷射，也有釷。」舒姆說。原子核只會在一個精確頻率吸收光線。若雷射發生漂移，例如室溫稍微升高，晶體吸收的光便會減少；偵測器記錄到這個下降，回授迴路便將雷射導回正確頻率。原子核成為參考基準，而經校正的雷射頻率便成了時鐘的滴答聲。

兩項技術改變使這成為可能。PTB 與柏林 Max Born Institute 研製出一台可連續發射的緊湊型固態雷射；舊系統占據數平方公尺的光學平台，而且只能脈衝發射。團隊也不再計算原子核受激後發出的微弱輝光，因為讀取這種訊號需要約10分鐘，對操控雷射而言實在太慢。取而代之的是，他們測量晶體吸收了多少雷射功率；這個訊號速度足以閉合回授迴路。

維也納對北京

維也納時鐘在與一座傳統光學原子鐘比較的同時，無人看管運作超過24小時。其在1秒平均時間下的分數不穩定度約為3 × 10⁻¹²，而這種散布在一天後縮小至接近10⁻¹⁵。TU Wien 將此換算為約3,000萬年誤差1秒；這項數字是在為期一天的運作中測得，並非觀察了數百萬年所得。

北京時鐘在短時間尺度下更為穩定。根據 Physics World 報導的數據，其1秒不穩定度約為維也納時鐘的六分之一。丁世謙的團隊自行建造了一台波長148.4奈米、功率更高的連續雷射；由於中國取得這種同位素的管道有限，他們也學會僅用1.4微克釷-229培育小型晶體。兩塊獨立培育的晶體得出了相同的轉換頻率，亦與科羅拉多州 JILA 早先的測量結果相符。

舒姆認為兩項成果彼此互補。他告訴 Reuters，維也納晶體含有較高濃度的釷，且具備更好的光學特性，而北京團隊則擁有更強的雷射。「所以，只要把這些元件結合起來，我們就能打造出顯著更好的時鐘。」他說。

「兩支團隊各自獨立工作，以不同實驗方法在同一時間實現可運作的釷-229核時鐘。」丁世謙告訴 Reuters，並補充說，這顯示「這個概念十分穩健」。

這些時鐘目前還做不到什麼

兩座時鐘都尚未勝過用來與它們比較的原子鐘。「這還沒有達到全球最佳光學原子鐘的水準。」舒姆說。派克在 PTB 的公告中說得更直接：其穩定性「尚未創下任何世界紀錄」。

最大的差距在於共振峰的銳利程度。派克告訴 Physics World：「我們現在已看到30 kHz的線寬，但自然線寬應該遠低於1 Hz。」模糊的共振意味著模糊的滴答。晶體本身也是謎題的一部分：釷位於氟化鈣晶格中的數個不同位置，團隊仍在釐清這如何塑造共振。丁世謙曾表示，氟化鈣宿主晶體限制了性能，需要更好的宿主材料。

兩套機器也都是實驗室原型。它們仰賴參考時鐘進行比較、客製化紫外雷射，以及一種難以取得的同位素。要打造可由船舶、衛星或資料中心攜帶的堅固裝置，仍有漫長的工程路徑要走。

物理學家為何想要更好的時鐘

時鐘對日常生活的影響，已遠超過多數人的察覺。衛星導航藉由訊號抵達時間的微小差異計算位置；資料網路則依據原子時間進行同步。測量師與地球物理學家利用這一事實：在地球重力場的不同高度，時鐘走時速率不同。

核時鐘帶來兩項優勢。第一，無須在真空腔室中囚禁原子或離子的固態設計，最終可望讓精準計時裝置更小巧、更堅固。第二，釷的轉換取決於原子核內部的作用力，因此如果自然常數發生漂移，或某種形式的暗物質牽引普通物質，它的反應應比原子轉換強烈得多。維也納團隊已利用其原型進行這項測試。結果未發現暗物質訊號，但對暗物質與光及強作用力耦合的限制，已可與最佳原子鐘所設下的限制相提並論。

未參與此項研究的新南威爾斯大學維克托・弗蘭博姆（Victor Flambaum）稱這些裝置為「核時鐘的首批原型」。舒姆的判斷則更為宏觀：「它讓我們得以進入一整個全新的物理宇宙。」

關於核時鐘的常見問題

什麼是核時鐘？

核時鐘利用原子核內部的轉換來計時，而不是電子能階之間的躍遷。雷射會調校至原子核吸收光線的精確頻率，而該頻率便成為時鐘的滴答聲。釷-229是目前已知唯一具有足夠低能量轉換、可由雷射觸及的原子核。

核時鐘具有放射性或危險嗎？

它與核分裂或核融合無關，也不會產生核能。釷-229是一種放射性同位素，但這些時鐘使用的是封存在晶體內的極微量物質，而雷射僅將原子核推升至略高一些的能量狀態。

核時鐘是否比原子鐘更精確？

目前還不是。維也納與北京的原型穩定性低於最佳光學原子鐘。人們預期，原子核遠比電子殼層微小且受到更佳屏蔽，一旦雷射與晶體獲得改善，最終將可實現更好的性能。

核時鐘可以用於什麼？

研究人員指出，其用途包括衛星導航、網路同步、測量與基礎物理。由於釷的轉換對原子核內部作用力高度敏感，這些時鐘也是尋找暗物質與自然常數變化的工具。

更強的雷射、更好的晶體與單一離子

釷原子核首次由雷射激發是在2024年4月，執行者為舒姆與派克的團隊；這距離派克於2003年提出核時鐘原理，已過了數十年。該年秋季，這套裝置與一座傳統光學原子鐘連接。具自我穩定功能的維也納時鐘，見於2026年10月7日發表的一篇《Nature》論文；同一期也刊登清華大學的論文，以及一項由 PTB 與 TU Wien 進行、研究釷原子核連續雷射吸收的配套研究，後者於9月發表於《Nature》。

接下來的步驟相當具體。派克的團隊計畫提高雷射功率、改善偵測器的訊噪比，並繪製釷在晶體中所處位置的圖譜，以找出造成共振模糊的原因。丁世謙的團隊正在尋找優於氟化鈣的宿主晶體，並對以單一受困釷離子建構的時鐘感興趣；丁世謙稱這「技術上困難得多」，但可能是通往最高精確度的途徑。

參考資料：Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4；Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

標籤: 物理學, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, 原子鐘