如何使核时钟滴答作响

　　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（ThorstenSchumm）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192631770133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EkkehardPeik教授与美国特拉华大学的MariannaSafronova和德国慕尼黑LMU的PeterThirolf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。