物理学家正在开发一种装置来监测宇宙的无形力量。

虽然核钟主要不能用于报时，但它可以让科学家测试人类对现实如何运作的基本理解。

托斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）是一名钟表匠，但不是那种坐在布满弹簧和齿轮的工作台上的人，放大镜塞进一只眼睛。不，他正在制作一款完全不同的时计。

原子钟可能听起来很熟悉，但如果舒姆的研究按计划进行，它可能会导致核钟。它不仅仅是告诉时间，它还可以帮助破解宇宙中一些最严密保护的秘密。

“这仍然是一个梦想，”奥地利维也纳理工大学教授舒姆说。“没有人知道该怎么做。”

他打算改变这种状况，并在此过程中阐明自然界的一些基本力量。

瞬间

时钟可以基于任何定期振荡并且可以读取的东西。第一个时钟是机械的。如今，许多腕表都使用石英晶体的机电振荡。

但随着原子钟的出现，时钟技术在 1950 年代提升了一个档次。

原子由一个被轨道电子云包围的原子核组成。原子钟的滴答声取决于这些电子产生的“量子跃迁”。

它的工作原理是这样的。电子可以吸收一包能量，使它们从更高能量的“基态”移动到“激发态”。然后他们可以回到基态，在下降的过程中释放出那包能量。

这些能量跃迁以可用于计时的特定频率发生。这一切都发生得惊人。

例如，一秒被正式定义为激发铯-9原子的能量包的192 631 770 133次振荡。

原子钟之所以如此精确，是因为它们会产生大量的振荡或滴答声。因此，如果读出机制错过了其中的一两个，那么当每秒超过9亿时，通常不会有太大问题。

核钟是不同的。滴答声不依赖于电子，而是取决于原子核本身的振动。这些比电子跃迁的刻度快很多倍。

但是，正如舒姆所说，启动和运行核钟的工作仍在继续。

快乐的巧合

他对解开这个核之谜感兴趣，部分是出于机缘巧合。

事实证明，元素钍-229的罕见同位素是迄今为止最容易建造核钟的材料。那是因为它被认为是任何原子核中最慢的刻度。此外，舒姆工作的研究所是为数不多的可以访问这些材料的地方之一。

钍-229不是天然存在的。它只能通过某些类型的铀的核衰变产生。

维也纳理工大学与美国橡树岭国家实验室达成协议，允许其从几十年前用于核试验的剩余铀中获得一些钍-229。

舒姆并没有忘记，他的名字和元素的名字都来自神话中的北欧神托尔。

“这让我很痒，”他说。

是时候了

自 2020 年以来，舒姆一直在欧盟资助的钍核钟项目下进行关于制造核钟的基础研究，该项目一直持续到 2026 年初。

他和他的同事，德国布伦瑞克国家计量研究所的Ekkehard Peik教授与美国特拉华大学的Marianna Safronova和德国慕尼黑LMU的Peter Thirolf分享了该项目的主要研究人员角色。

要设置核时钟滴答作响，它需要将激光设置为正确的能量水平。但对于大多数原子核来说，所需的能量频率远不及目前的激光技术所能达到的。

钍-229是现存最大的稳定原子核之一。人们认为它可以采用当前激光可以达到的非常低能量的状态 - 尽管没有人真正了解它如何或为什么这样做。

“首先，甚至不清楚钍-229的这种状态是否存在，”舒姆说。

现在知道它确实存在。2020年，舒姆和他的同事发表了对同位素能级的测量。从那以后，他们继续以这些知识为基础。

所有这些都为真正测试时钟开辟了道路。舒姆和他的同事们一直在研究一种定制设计的激光器，以正确的频率挠钍。

很快，他们计划首次将这种激光对准一些被困的钍原子，以启动它们。

“我们对这个实验的结果感到非常兴奋，因为它是以前从未做过的事情，”Peik说。“我们和其他人过去曾尝试过钍-229的相关实验，但没有成功。这一次我们觉得我们准备得更好了。

晶莹剔透

对于这些实验，钍原子将被保存在原子陷阱中 - 这是一项非常挑剔的工作。因此，虽然钍核钟已经在进行中，但舒姆还领导了一个为期两年的欧盟资助项目，名为CRYSTALCLOCK，旨在为核钟开发一种更简单的设计和读出机制。

这里的想法是生长一种由氟化钙组成的晶体，并散布在材料中的钍-229原子。这提供了一种比原子阱更容易使用的固体材料。

舒姆和他的同事，包括托马斯·西科斯基博士，发表了一篇论文，证明这些掺钍晶体可以在2022年生长。下一步将是开始研究如何读取这些晶体的滴答声。

舒姆说，一种称为核断层扫描的技术可以用于此目的，整个过程将比在陷阱中使用钍原子容易得多。

自然力量

这值得费心，不是因为需要更精确的时钟，而是因为人类对现实如何运作的基本理解是可以测试的。

最好的物理学理论解释说，宇宙有四种基本力：重力、电磁力、弱核力和强核力。这些力的强度是已知的，这些数字通常被称为基本的“常数”。

但不知道这些力量的力量是否一直相同，并将永远相同。有迹象表明，这些力量在遥远的过去要强大得多，接近大爆炸，甚至可能仍在变化最微小。

原子钟和核钟可能使测试成为可能。原子钟的滴答声主要受电磁强度的影响，因此，如果滴答声的速度开始变化，则表明潜在力的漂移。

然而，电磁学非常弱，所以原子钟尽管精度惊人，但可能永远无法发现它的任何变化。

相比之下，核时钟滴答声受到强力的影响。因此，如果要创建一个工作的核钟，它可以用来监测强力在一段时间内是否有任何变化。

“从原子到原子核并不是为了获得更好的时钟，”舒姆说。“事实上，第一个核钟很可能不如最好的原子钟好。重点更多的是拥有一种全新的技术，基本上可以测试强大的力量。