对钍原子核跃迁的超精准测量，让物理学家掌握了探索宇宙基本力的新工具。
钍-229原子核激光可控跃迁的发现标志着“核时钟”即将到来
当地时间2024年5月某天深夜23:30，研究生张传坤见到了物理学家已经寻找了50年的信号。位于美国科罗拉多州博尔德市的实验天体物理联合研究所内，张传坤面前的显示器原本平静无奇，此时却突然腾起一座高峰。张传坤立刻截图并发在了他和三位实验室同事所在的社交软件群聊里。然后，这三位同事便一个接一个跳下了床，来到了实验室。他们一起又仔细核查了几番，以确保看到的现象是真实存在的——那是钍-229原子核在两种状态之间切换的信号，也就是所谓的“核时钟”跃迁——确认无误后，这些年轻的研究人员拍了一张自拍照纪念这个颇有意义的时刻，时间是：凌晨3点52分。
那天上午晚些时候，在与研究小组组长、全球最精确的原子钟的建造者叶军的每周例会上，这些青年研究人员决定假装内心毫无波澜地宣布这个消息。“他们当时都是一副面无表情的扑克脸。”叶军说，直到张传坤展示了一张显示了那个高峰的幻灯片——那正是他们寻找多年的东西。上午9点30分，大家举杯共饮香槟时，叶军的眼眶里噙满了泪水。
这个研究小组的测量结果发表在2024年9月4日的《自然》杂志上，他们也成了继德国团队和加利福尼亚团队之后在过去4个月内第三支公开宣布观测到钍-229跃迁现象的科研团队。不过，张传坤团队的这个新测量结果要比前两支团队准确数百万倍，同时也标志着物理学家寻找诱导核时钟跃迁所需的精确激光频率的这场马拉松告一段落。英国达勒姆大学物理学家汉纳 · 威廉姆斯（Hannah Williams）没有参与这项工作，但他仍对张传坤团队的工作赞誉有加：“这篇论文是一项不可思议的技术成就。”
更为重要的是，这项成果还开启了一项新事业：物理学研究人员现在可以利用核时钟跃迁观测物理学定律究竟是否会像许多基础物理学理论预言的那样随时间改变。非常凑巧的是，在钍-229原子核中，四种基本力中有两种几乎完全抵消了，因此，钍-229原子核的核时钟跃迁对这两种力的变化极端敏感。于是，在不同时间测量钍-229原子核的跃迁就可能揭示基本物理学常数的任何微小变化。
同样没有参与钍-229原子核跃迁发现工作的加拿大圆周理论物理研究所理论物理学家阿斯米纳 · 阿梵尼塔基（Asimina Arvanitaki）说：“我把它看作一段美妙旅程的起点。现在，我们已经测量了大自然的这个怪异现象。不过，要想充分利用它，还需要做很多工作。”
大自然的怪异现象
早在1976年科学家刚开始研究同位素钍-229（冷战核武器研究的副产品）时，他们就发现了一些特别的事。
通常情况下，原子都处于所谓的基态——原子中的所有电子都以稳定的方式围绕原子核运动。不过，电子还能以光子的形式从外界吸收能量从而被激发——在原子核周围快速运动一会儿——然后又重新释放光子并回到基态。要想激发电子，光子必须具有恰到好处的能量——也就是“量子”。
实际上，时间的现代概念就是由这个过程定义的。科学家用一束激光让铯原子沐浴在光子海洋中。接着，他们改变激光的波长直到其释放的每个光子都恰好拥有能够激发电子的能量。因此，这个超精准波长就成了一秒的国际定义标准，也即9 192 631 770个此种波长通过空间中给定点所需的时间。
叶军（左）实验室由研究生张传坤（右）领导的一支团队在《自然》杂志上发表了核时钟跃迁超精准测量的结果
每个原子的核心都有原子核，原子核通常是由中子和质子构成的致密球体，同样也存在基态和激发态。当组成原子核的一个质子或中子吸收光子并短暂地以更高能量运动时，原子核就被激发了。不过，原子核的结合要比电子紧密得多，因此激发所需的光子必须具有高得多的能量，比如伽马射线。然而，这样的光子很难大量生产，即便生产出来了也很难精准控制其能量。
不过，钍-229原子核与众不同。
从20世纪50年代到70年代，美国生产了大约2吨铀-233。铀-233是一种武器级核裂变材料，当时人们正在研究它是否可以作为核武器中铀-235和钚-239的替代品。这个项目最后被取消了，只留下一些装有放射性液体的储罐。然而，当美国爱达荷国家实验室的核物理学家拉里 · 克罗格（Larry Kroger）和查尔斯 · 里奇（Charles Reich）在1976年研究这些液体释放的辐射时，他们发现有间接证据证明铀-233的“子”核（铀-233放射性衰变的产物）钍-229具有一种神秘的激发态，其涉及的能量远低于预期。
所有原子核都生活在两种基本力之间的紧张拔河大赛中。原子核中带正电的质子之间的电磁力总是在试图把原子核撕碎，而原子核成分之间的强相互作用力则用力把这些粒子聚在一起。激发其中的中子或质子意味着让原子核进入这两种力的新平衡状态（能量更高）。
爱达荷国家实验室的这些研究人员观察到，扭转钍-229原子最外层电子的内禀角动量（也即“自旋”）就能把激发原子所需的能量降低为原来的万分之一。中子自旋的变化轻微改变了电磁力和强相互作用力，但这两者的变化几乎正好完全抵消。于是，相应原子核的激发态与基态能量几乎毫无差别。实际上，许多原子核都有类似的自旋变化效应，但只有在钍-229原子核中，电磁力和强相互作用力才抵消得如此接近完美。
悉尼新南威尔士大学理论物理学家维克多 · 弗拉姆鲍姆（Victor Flambaum）说：“这就是一个巧合，钍原子核天生就是这样，没有什么特殊原因，就是实验事实。”然而，这种力与能量的巧合能产生巨大效应。
给常数计时
科学家花了几十年才意识到钍-229有多么特殊，以及应该利用它的特殊做点什么。
克罗格和里奇1976年的测量结果并不精确，因为它是在铀-233“废料”产生的充满噪音的辐射中进行的。他们不可能真正观测到原子核衰变到基态时释放的低能光子。他俩只是间接地从处于更高激发态的原子核释放的更高能伽马辐射结果中推断出这些光子的能量。
1990年，里奇和同事更细致地重做了这个测量实验，结果发现，激发态的能量甚至比他们预想的还小——而且是小到了1/10。一般来说，原子核跃迁需要数百万电子伏特能量，但钍-229却只需要不到10电子伏特。这彻底改变了整个游戏：其他任何同位素的原子核跃迁需要的能量都在传统激光能量范围之外——传统激光可以可靠且精确地传递触发跃迁需要的能量。加州大学洛杉矶分校物理学家埃里克 · 哈德逊（Eric Hudson）说：“在所有原子核中，只有钍-229具有这种奇特性质。”
如果有人能从放射性环境中分离出这些钍-229原子核，并且让紫外激光束的能量与其激发态的能量相匹配，那他们就能随意激发这种原子核，就像激发电子一样。
美国政府绝大多数的铀-233“废料”现在仍然存放在爱达荷国家实验室和橡树岭国家实验室的保卫室里。在美国橡树岭国家实验室工作了31年的放射化学家萨伊德 · 梅扎德（Saed Mirzadeh）说：“现在的情况就像是美国每年花2000万美元的预算请人坐在那里看着东西，确保没人过来偷那些材料。守卫就是坐在那里，脖子上挂着枪，嘴里叼着烟。”
1994年，知晓爱达荷国家实验室团队工作的梅扎德说服实验室允许他接触那些即将告罄的危险液体。他发明了一种方法，可以将已经衰变成钍-229的铀原子同那些没有衰变的分离开来。他说：“我们第一次真正操作的时候，实验室外站着荷枪实弹的守卫。”梅扎德还特别提到，现在全球可用钍-229原子的储量大多数都源自他的努力。
接着，关于如何利用这种独一无二的原子核的想法开始涌现。2003年，德国计量研究所和联邦物理技术研究所的埃克哈德 · 佩克（Ekkehard Peik）和克里斯蒂安 · 塔姆（Christian Tamm）提出，可以利用钍-229原子核制作核时钟。他俩意识到，既然电子云把原子核同外界隔绝了，那么以钍-229原子为基础的时钟可以很大程度上免疫现在干扰原子钟（目前全球最好的计时装置）的背景噪音。
随后，弗拉姆鲍姆又证明，我们可以用这种敏感且孤立的核时钟检验大自然本身是否恒定。
物理学家已经建立了一些描述束缚宇宙之力的方程，这些方程包含了大约26个被称为基本常数的数字。正是这些数字——比如光速和引力常数——定义了我们这个宇宙中万事万物的运作方式。不过，有许多物理学家认为，这些数字实际上并不恒定。
弦理论等纯理论就试图更深入、更完备地理解约束宇宙的基本力。这类理论常常预言，所谓的基本常数，包括光速在内，都会随时间的推移而发生轻微变化。换句话说，这些常数也并不“基本”，它们来自一些更深层的物理现象或过程，且后者本身就是动态的。目前关于暗物质的主流理论之一也有类似的预言——暗物质是漂浮在星系内外的看不见的物质。如果暗物质是由称为“轴子”的波状粒子构成的，那么宇宙各处轴子的密度差异就应该会导致某些基本力的强度上下波动。
自然法则的这些微小扭曲可能会轻微破坏每个原子核内部的微妙平衡，从而改变其能量状态。各种原子核状态的能量来自作用于原子核内所有质子和中子的强大电磁力和强相互作用力的增减。上述两种力中任何一种的相对微小变化都会导致整个原子的巨大能量偏移。当这种偏移发生在
钍-229原子（其跃迁所需的能量本就特别小）中时，就会变得尤为明显。
在21世纪前20年中，多支团队加入了这场率先建造核时钟的竞赛。要想赢得这场比赛，他们需要计算出激发目标原子核（现在称为“核时钟跃迁”）所需的激光能量。
照片判定
按现在的估计，核时钟跃迁需要的能量的精度只有研究人员用于实验的激光波长的千分之一。因此，研究人员首先得排除成千上万个冗余的波长。在调试这些备选波长时，研究人员必须设法“囚禁”住几个钍-229原子，用激光轰击它们，然后等待表明激光已经激发原子的光子出现。这种发光过程需要的时间很长。
在哈德逊的领导下，研究团队开始培育内部嵌有钍原子的固态晶体化合物——这是佩克和塔姆最初计划中提到的方法。这类晶体可以容纳的原子数量可不只是寥寥数个，而是千万亿个，这样一来，用激光筛选波长的速度就大大加快了。
2023年，欧洲核子研究中心的一项技术突破让这场竞赛进入了快车道。与早先爱达荷实验室的研究方法一样，欧洲核子研究中心的团队通过放射性衰变生产受激钍-229原子，然后观察过程中释放的光子。不过，区别在于，他们找到了一种在安静得多（实验噪音少得多）的环境中完成上述过程的方法，进而可以直接测量核时钟跃迁过程中发出的昏暗紫外线，从而更精准地估算跃迁能量。
欧洲核子研究中心的这个升级版估算结果把波长搜寻范围从整片森林缩小到了一小片树丛。紧接着，他们就在这一小片树丛里开始了搜寻行动。2024年4月，一支欧洲团队率先报告称，他们用激光探测到了钍原子的激发态。这项合作研究利用了维也纳大学物理学家托尔斯滕 · 舒姆（Thorsten Schumm）打造的晶体生长装置，佩克在激光领域的专业知识也居功至伟。
哈德逊的研究小组则紧随其后——2024年7月《物理学快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文报告了他们的发现。
加州大学洛杉矶分校埃里克·哈德逊的团队报告了2024年夏天测量核时钟跃迁的结果
2024年早些时候，德国联邦物理技术研究所的埃克哈德·佩克及其同事率先用激光激发了核时钟跃迁
2024年5月23日凌晨3点42分，张传坤（右二）和他在实验天体物理联合研究所的实验室同事拍了一张自拍照，以纪念他们精准测量钍-229核时钟跃迁的成果
叶军的实验天体物理联合研究所团队同样得到了一块舒姆培育的晶体，从而也加入了激发钍-229原子的竞争。多年以来，这个团队致力于凭借自身在时钟设计上的经验与知识设计某种特制的紫外激光，最终目的只有一个：利用
钍-229打造一座核时钟。有了这种特制紫外激光，叶军和他的团队就能一次筛选许多个波长以寻找钍-229核时钟跃迁。叶军团队最近的这篇论文高度总结了上述三个平行发现，其对钍-229原子激发态能量的测量精度很有可能是未来数年之内最高的。
威廉姆斯说：“所有这些实验结果都是在很短的时间内涌现的，因此，他们接下去的工作着实令人期待不已。”
这些实验结果同时也开启了利用钍原子钟检验大自然基本力的大门。哈德逊兴奋地强调了这些研究基本常数的新工具的重要性：“好玩的事现在就要来了，我们真的可以检测基本常数究竟是不是永恒不变了。”
相较其他原子，钍原子核的能量状态对基本常数的变化敏感得多。不过，研究人员还得进一步提升测量精度才能察觉这类变化，因为宇宙常数的变化——假设存在——远比之前已经用传统原子钟排除的物理学常数变化更加细微。目前，叶军团队测量核时钟跃迁的精度是万亿分之一，但宇宙常数的变化可能小至十万亿分之一量级。对此，叶军表示：“我们还有很多年的路要走。”
饶是如此，冷战的一些副产品最终还是应该会为我们首次揭晓一些新证据，让我们一窥目前所见之宇宙背后尚未为我们所知的更深层次的物理学内容。哈德逊说道：“我们一直称它们是常数，但为什么？当你拉近镜头，仔细观察的时候，就会发现任何事都不会那么简单。”
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者约瑟夫·霍莱特（Joseph Howlett）是哥伦比亚大学物理学博士，早先从事天体粒子方面的物理学研究，现为科学作者。
