建造核時(shí)鐘的競(jìng)賽

對(duì)釷原子核躍遷的超精準(zhǔn)測(cè)量，讓物理學(xué)家掌握了探索宇宙基本力的新工具。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年5月某天深夜23：30，研究生張傳坤見到了物理學(xué)家已經(jīng)尋找了50年的信號(hào)。位于美國(guó)科羅拉多州博爾德市的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所內(nèi)，張傳坤面前的顯示器原本平靜無奇，此時(shí)卻突然騰起一座高峰。張傳坤立刻截圖并發(fā)在了他和三位實(shí)驗(yàn)室同事所在的社交軟件群聊里。然后，這三位同事便一個(gè)接一個(gè)跳下了床，來到了實(shí)驗(yàn)室。他們一起又仔細(xì)核查了幾番，以確?？吹降默F(xiàn)象是真實(shí)存在的——那是釷-229原子核在兩種狀態(tài)之間切換的信號(hào)，也就是所謂的“核時(shí)鐘”躍遷——確認(rèn)無誤后，這些年輕的研究人員拍了一張自拍照紀(jì)念這個(gè)頗有意義的時(shí)刻，時(shí)間是：凌晨3點(diǎn)52分。

那天上午晚些時(shí)候，在與研究小組組長(zhǎng)、全球最精確的原子鐘的建造者葉軍的每周例會(huì)上，這些青年研究人員決定假裝內(nèi)心毫無波瀾地宣布這個(gè)消息?！八麄儺?dāng)時(shí)都是一副面無表情的撲克臉。”葉軍說，直到張傳坤展示了一張顯示了那個(gè)高峰的幻燈片——那正是他們尋找多年的東西。上午9點(diǎn)30分，大家舉杯共飲香檳時(shí)，葉軍的眼眶里噙滿了淚水。

這個(gè)研究小組的測(cè)量結(jié)果發(fā)表在2024年9月4日的《自然》雜志上，他們也成了繼德國(guó)團(tuán)隊(duì)和加利福尼亞團(tuán)隊(duì)之后在過去4個(gè)月內(nèi)第三支公開宣布觀測(cè)到釷-229躍遷現(xiàn)象的科研團(tuán)隊(duì)。不過，張傳坤團(tuán)隊(duì)的這個(gè)新測(cè)量結(jié)果要比前兩支團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確數(shù)百萬倍，同時(shí)也標(biāo)志著物理學(xué)家尋找誘導(dǎo)核時(shí)鐘躍遷所需的精確激光頻率的這場(chǎng)馬拉松告一段落。英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)物理學(xué)家漢納 · 威廉姆斯（Hannah Williams）沒有參與這項(xiàng)工作，但他仍對(duì)張傳坤團(tuán)隊(duì)的工作贊譽(yù)有加：“這篇論文是一項(xiàng)不可思議的技術(shù)成就?！?/p>

更為重要的是，這項(xiàng)成果還開啟了一項(xiàng)新事業(yè)：物理學(xué)研究人員現(xiàn)在可以利用核時(shí)鐘躍遷觀測(cè)物理學(xué)定律究竟是否會(huì)像許多基礎(chǔ)物理學(xué)理論預(yù)言的那樣隨時(shí)間改變。非常湊巧的是，在釷-229原子核中，四種基本力中有兩種幾乎完全抵消了，因此，釷-229原子核的核時(shí)鐘躍遷對(duì)這兩種力的變化極端敏感。于是，在不同時(shí)間測(cè)量釷-229原子核的躍遷就可能揭示基本物理學(xué)常數(shù)的任何微小變化。

同樣沒有參與釷-229原子核躍遷發(fā)現(xiàn)工作的加拿大圓周理論物理研究所理論物理學(xué)家阿斯米納 · 阿梵尼塔基（Asimina Arvanitaki）說：“我把它看作一段美妙旅程的起點(diǎn)。現(xiàn)在，我們已經(jīng)測(cè)量了大自然的這個(gè)怪異現(xiàn)象。不過，要想充分利用它，還需要做很多工作?！?/p>

大自然的怪異現(xiàn)象

早在1976年科學(xué)家剛開始研究同位素釷-229（冷戰(zhàn)核武器研究的副產(chǎn)品）時(shí)，他們就發(fā)現(xiàn)了一些特別的事。

通常情況下，原子都處于所謂的基態(tài)——原子中的所有電子都以穩(wěn)定的方式圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。不過，電子還能以光子的形式從外界吸收能量從而被激發(fā)——在原子核周圍快速運(yùn)動(dòng)一會(huì)兒——然后又重新釋放光子并回到基態(tài)。要想激發(fā)電子，光子必須具有恰到好處的能量——也就是“量子”。

實(shí)際上，時(shí)間的現(xiàn)代概念就是由這個(gè)過程定義的?？茖W(xué)家用一束激光讓銫原子沐浴在光子海洋中。接著，他們改變激光的波長(zhǎng)直到其釋放的每個(gè)光子都恰好擁有能夠激發(fā)電子的能量。因此，這個(gè)超精準(zhǔn)波長(zhǎng)就成了一秒的國(guó)際定義標(biāo)準(zhǔn)，也即9 192 631 770個(gè)此種波長(zhǎng)通過空間中給定點(diǎn)所需的時(shí)間。

每個(gè)原子的核心都有原子核，原子核通4XlIaTuuuPJRoZ2wNRScKA==常是由中子和質(zhì)子構(gòu)成的致密球體，同樣也存在基態(tài)和激發(fā)態(tài)。當(dāng)組成原子核的一個(gè)質(zhì)子或中子吸收光子并短暫地以更高能量運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子核就被激發(fā)了。不過，原子核的結(jié)合要比電子緊密得多，因此激發(fā)所需的光子必須具有高得多的能量，比如伽馬射線。然而，這樣的光子很難大量生產(chǎn)，即便生產(chǎn)出來了也很難精準(zhǔn)控制其能量。

不過，釷-229原子核與眾不同。

從20世紀(jì)50年代到70年代，美國(guó)生產(chǎn)了大約2噸

鈾-233。鈾-233是一種武器級(jí)核裂變材料，當(dāng)時(shí)人們正在研究它是否可以作為核武器中鈾-235和钚-239的替代品。這個(gè)項(xiàng)目最后被取消了，只留下一些裝有放射性液體的儲(chǔ)罐。然而，當(dāng)美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核物理學(xué)家拉里 · 克羅格（Larry Kroger）和查爾斯 · 里奇（Charles Reich）在1976年研究這些液體釋放的輻射時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有間接證據(jù)證明

鈾-233的“子”核（鈾-233放射性衰變的產(chǎn)物）釷-229具有一種神秘的激發(fā)態(tài)，其涉及的能量遠(yuǎn)低于預(yù)期。

所有原子核都生活在兩種基本力之間的緊張拔河大賽中。原子核中帶正電的質(zhì)子之間的電磁力總是在試圖把原子核撕碎，而原子核成分之間的強(qiáng)相互作用力則用力把這些粒子聚在一起。激發(fā)其中的中子或質(zhì)子意味著讓原子核進(jìn)入這兩種力的新平衡狀態(tài)（能量更高）。

愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的這些研究人員觀察到，扭轉(zhuǎn)

釷-229原子最外層電子的內(nèi)稟角動(dòng)量（也即“自旋”）就能把激發(fā)原子所需的能量降低為原來的萬分之一。中子自旋的變化輕微改變了電磁力和強(qiáng)相互作用力，但這兩者的變化幾乎正好完全抵消。于是，相應(yīng)原子核的激發(fā)態(tài)與基態(tài)能量幾乎毫無差別。實(shí)際上，許多原子核都有類似的自旋變化效應(yīng)，但只有在釷-229原子核中，電磁力和強(qiáng)相互作用力才抵消得如此接近完美。

悉尼新南威爾士大學(xué)理論物理學(xué)家維克多 · 弗拉姆鮑姆（Victor Flambaum）說：“這就是一個(gè)巧合，釷原子核天生就是這樣，沒有什么特殊原因，就是實(shí)驗(yàn)事實(shí)?！比欢@種力與能量的巧合能產(chǎn)生巨大效應(yīng)。

給常數(shù)計(jì)時(shí)

科學(xué)家花了幾十年才意識(shí)到釷-229有多么特殊，以及應(yīng)該利用它的特殊做點(diǎn)什么。

克羅格和里奇1976年的測(cè)量結(jié)果并不精確，因?yàn)樗窃阝?233“廢料”產(chǎn)生的充滿噪音的輻射中進(jìn)行的。他們不可能真正觀測(cè)到原子核衰變到基態(tài)時(shí)釋放的低能光子。他倆只是間接地從處于更高激發(fā)態(tài)的原子核釋放的更高能伽馬輻射結(jié)果中推斷出這些光子的能量。

1990年，里奇和同事更細(xì)致地重做了這個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的能量甚至比他們預(yù)想的還小——而且是小到了1/10。一般來說，原子核躍遷需要數(shù)百萬電子伏特能量，但釷-229卻只需要不到10電子伏特。這徹底改變了整個(gè)游戲：其他任何同位素的原子核躍遷需要的能量都在傳統(tǒng)激光能量范圍之外——傳統(tǒng)激光可以可靠且精確地傳遞觸發(fā)躍遷需要的能量。加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)家埃里克 · 哈德遜（Eric Hudson）說：“在所有原子核中，只有

釷-229具有這種奇特性質(zhì)?！?/p>

如果有人能從放射性環(huán)境中分離出這些釷-229原子核，并且讓紫外激光束的能量與其激發(fā)態(tài)的能量相匹配，那他們就能隨意激發(fā)這種原子核，就像激發(fā)電子一樣。

美國(guó)政府絕大多數(shù)的鈾-233“廢料”現(xiàn)在仍然存放在愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的保衛(wèi)室里。在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作了31年的放射化學(xué)家薩伊德 · 梅扎德（Saed Mirzadeh）說：“現(xiàn)在的情況就像是美國(guó)每年花2000萬美元的預(yù)算請(qǐng)人坐在那里看著東西，確保沒人過來偷那些材料。守衛(wèi)就是坐在那里，脖子上掛著槍，嘴里叼著煙?！?/p>

1994年，知曉愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)工作的梅扎德說服實(shí)驗(yàn)室允許他接觸那些即將告罄的危險(xiǎn)液體。他發(fā)明了一種方法，可以將已經(jīng)衰變成釷-229的鈾原子同那些沒有衰變的分離開來。他說：“我們第一次真正操作的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室外站著荷槍實(shí)彈的守衛(wèi)。”梅扎德還特別提到，現(xiàn)在全球可用釷-229原子的儲(chǔ)量大多數(shù)都源自他的努力。

接著，關(guān)于如何利用這種獨(dú)一無二的原子核的想法開始涌現(xiàn)。2003年，德國(guó)計(jì)量研究所和聯(lián)邦物理技術(shù)研究所的?？斯?· 佩克（Ekkehard Peik）和克里斯蒂安 · 塔姆（Christian Tamm）提出，可以利用釷-229原子核制作核時(shí)鐘。他倆意識(shí)到，既然電子云把原子核同外界隔絕了，那么以釷-229原子為基礎(chǔ)的時(shí)鐘可以很大程度上免疫現(xiàn)在干擾原子鐘（目前全球最好的計(jì)時(shí)裝置）的背景噪音。

隨后，弗拉姆鮑姆又證明，我們可以用這種敏感且孤立的核時(shí)鐘檢驗(yàn)大自然本身是否恒定。

物理學(xué)家已經(jīng)建立了一些描述束縛宇宙之力的方程，這些方程包含了大約26個(gè)被稱為基本常數(shù)的數(shù)字。正是這些數(shù)字——比如光速和引力常數(shù)——定義了我們這個(gè)宇宙中萬事萬物的運(yùn)作方式。不過，有許多物理學(xué)家認(rèn)為，這些數(shù)字實(shí)際上并不恒定。

弦理論等純理論就試圖更深入、更完備地理解約束宇宙的基本力。這類理論常常預(yù)言，所謂的基本常數(shù)，包括光速在內(nèi)，都會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生輕微變化。換句話說，這些常數(shù)也并不“基本”，它們來自一些更深層的物理現(xiàn)象或過程，且后者本身就是動(dòng)態(tài)的。目前關(guān)于暗物質(zhì)的主流理論之一也有類似的預(yù)言——暗物質(zhì)是漂浮在星系內(nèi)外的看不見的物質(zhì)。如果暗物質(zhì)是由稱為“軸子”的波狀粒子構(gòu)成的，那么宇宙各處軸子的密度差異就應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致某些基本力的強(qiáng)度上下波動(dòng)。

自然法則的這些微小扭曲可能會(huì)輕微破壞每個(gè)原子核內(nèi)部的微妙平衡，從而改變其能量狀態(tài)。各種原子核狀態(tài)的能量來自作用于原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的強(qiáng)大電磁力和強(qiáng)相互作用力的增減。上述兩種力中任何一種的相對(duì)微小變化都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)原子的巨大能量偏移。當(dāng)這種偏移發(fā)生在

釷-229原子（其躍遷所需的能量本就特別小）中時(shí)，就會(huì)變得尤為明顯。

在21世紀(jì)前20年中，多支團(tuán)隊(duì)加入了這場(chǎng)率先建造核時(shí)鐘的競(jìng)賽。要想贏得這場(chǎng)比賽，他們需要計(jì)算出激發(fā)目標(biāo)原子核（現(xiàn)在稱為“核時(shí)鐘躍遷”）所需的激光能量。

照片判定

按現(xiàn)在的估計(jì)，核時(shí)鐘躍遷需要的能量的精度只有研究人員用于實(shí)驗(yàn)的激光波長(zhǎng)的千分之一。因此，研究人員首先得排除成千上萬個(gè)冗余的波長(zhǎng)。在調(diào)試這些備選波長(zhǎng)時(shí)，研究人員必須設(shè)法“囚禁”住幾個(gè)釷-229原子，用激光轟擊它們，然后等待表明激光已經(jīng)激發(fā)原子的光子出現(xiàn)。這種發(fā)光過程需要的時(shí)間很長(zhǎng)。

在哈德遜的領(lǐng)導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)開始培育內(nèi)部嵌有釷原子的固態(tài)晶體化合物——這是佩克和塔姆最初計(jì)劃中提到的方法。這類晶體可以容納的原子數(shù)量可不只是寥寥數(shù)個(gè)，而是千萬億個(gè)，這樣一來，用激光篩選波長(zhǎng)的速度就大大加快了。

2023年，歐洲核子研究中心的一項(xiàng)技術(shù)突破讓這場(chǎng)競(jìng)賽進(jìn)入了快車道。與早先愛達(dá)荷實(shí)驗(yàn)室的研究方法一樣，歐洲核子研究中心的團(tuán)隊(duì)通過放射性衰變生產(chǎn)受激釷-229原子，然后觀察過程中釋放的光子。不過，區(qū)別在于，他們找到了一種在安靜得多（實(shí)驗(yàn)噪音少得多）的環(huán)境中完成上述過程的方法，進(jìn)而可以直接測(cè)量核時(shí)鐘躍遷過程中發(fā)出的昏暗紫外線，從而更精準(zhǔn)地估算躍遷能量。

歐洲核子研究中心的這個(gè)升級(jí)版估算結(jié)果把波長(zhǎng)搜尋范圍從整片森林縮小到了一小片樹叢。緊接著，他們就在這一小片樹叢里開始了搜尋行動(dòng)。2024年4月，一支歐洲團(tuán)隊(duì)率先報(bào)告稱，他們用激光探測(cè)到了釷原子的激發(fā)態(tài)。這項(xiàng)合作研究利用了維也納大學(xué)物理學(xué)家托爾斯滕 · 舒姆（Thorsten Schumm）打造的晶體生長(zhǎng)裝置，佩克在激光領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)也居功至偉。

哈德遜的研究小組則緊隨其后——2024年7月《物理學(xué)快報(bào)》（Physical Review Letters）上的一篇論文報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

葉軍的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所團(tuán)隊(duì)同樣得到了一塊舒姆培育的晶體，從而也加入了激發(fā)釷-229原子的競(jìng)爭(zhēng)。多年以來，這個(gè)團(tuán)隊(duì)致力于憑借自身在時(shí)鐘設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)設(shè)計(jì)某種特制的紫外激光，最終目的只有一個(gè)：利用

釷-229打造一座核時(shí)鐘。有了這種特制紫外激光，葉軍和他的團(tuán)隊(duì)就能一次篩選許多個(gè)波長(zhǎng)以尋找釷-229核時(shí)鐘躍遷。葉軍團(tuán)隊(duì)最近的這篇論文高度總結(jié)了上述三個(gè)平行發(fā)現(xiàn)，其對(duì)釷-229原子激發(fā)態(tài)能量的測(cè)量精度很有可能是未來數(shù)年之內(nèi)最高的。

威廉姆斯說：“所有這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是在很短的時(shí)間內(nèi)涌現(xiàn)的，因此，他們接下去的工作著實(shí)令人期待不已?！?/p>

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也開啟了利用釷原子鐘檢驗(yàn)大自然基本力的大門。哈德遜興奮地強(qiáng)調(diào)了這些研究基本常數(shù)的新工具的重要性：“好玩的事現(xiàn)在就要來了，我們真的可以檢測(cè)基本常數(shù)究竟是不是永恒不變了?！?/p>

相較其他原子，釷原子核的能量狀態(tài)對(duì)基本常數(shù)的變化敏感得多。不過，研究人員還得進(jìn)一步提升測(cè)量精度才能察覺這類變化，因?yàn)橛钪娉?shù)的變化——假設(shè)存在——遠(yuǎn)比之前已經(jīng)用傳統(tǒng)原子鐘排除的物理學(xué)常數(shù)變化更加細(xì)微。目前，葉軍團(tuán)隊(duì)測(cè)量核時(shí)鐘躍遷的精度是萬億分之一，但宇宙常數(shù)的變化可能小至十萬億分之一量級(jí)。對(duì)此，葉軍表示：“我們還有很多年的路要走?！?/p>

饒是如此，冷戰(zhàn)的一些副產(chǎn)品最終還是應(yīng)該會(huì)為我們首次揭曉一些新證據(jù)，讓我們一窺目前所見之宇宙背后尚未為我們所知的更深層次的物理學(xué)內(nèi)容。哈德遜說道：“我們一直稱它們是常數(shù)，但為什么？當(dāng)你拉近鏡頭，仔細(xì)觀察的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)任何事都不會(huì)那么簡(jiǎn)單?！?/p>

資料來源 Quanta Magazine