为何坚持20年一定要造出核时钟？独家专访自然杂志年度人物埃克哈德·佩克

封面新闻记者 张馨心

近日，全球知名科学期刊《自然》杂志公布2024年度推动科学发展的十大人物榜单。其中，德国国家计量研究所物理学家埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik）因推动核时钟的发展而入选。

德国国家计量研究所物理学家埃克哈德·佩克。受访者供图

时间测量有着悠久的创新历史：从观察月相到钟摆，再到石英振荡器的发明……

目前，全球计时标准是一种基于铯原子微波频率跃迁的原子钟。随着佩克成功激发基于原子核内微小能量跃迁的时钟，我们比以往任何时候都更接近于见证一种新型计时器：核时钟。

核时钟的工作原理是什么？有哪些优势？是否存在危险？封面新闻独家专访德国国家计量研究所的物理学家埃克哈德·佩克。

为什么要开发核时钟？

封面新闻：目前世界最先进的计时工具——原子钟已经足够精准。为什么还致力于开发核时钟呢？

佩克：原子钟的参考频率来源于原子电子壳层内的共振过程。当原子的外层电子发生重新排列时，这一过程的频率定义了时钟“滴答”的速率。比如铯原子钟参考频率约为9.2吉赫兹，只需要指定使用铯原子以及它的频率，那么世界上任何使用铯的人都可以建立出一个相同频率的时钟，这是一个足够方便的方案。

核时钟是这个想法的延伸，它将参考频率由电子壳层的跃迁转移到原子核内部的跃迁。原子核内部的电荷比电子更紧密地结合在一起。因此外部的扰动，比如碰撞、磁场和电场，对核内部跃迁过程的影响较小。核时钟可以更容易地避免外部影响，这使得它更加稳定。

封面新闻：它会比原子钟精确多少？

佩克：目前很难预测核时钟将比原子钟精确多少。因为随着时间的推移，原子钟已经取得巨大进步，现在它们比20年前要精确得多，但使用核跃迁依然具有明显的优势。在我看来，精度至少可以提高10倍。

不过更重要的问题并不是精度本身，而是核时钟是一种不同类型的时钟，它基于核过程。我认为，在未来一个重要的研究方向就是比较核时钟与原子钟的差异，比如测试两种时钟在特定条件下（如广义相对论条件下）的表现是否相同。这将是个值得研究的领域，而不仅仅是为了推动时钟精度的提升。

为何20多年才取得实质性进展？

封面新闻：早在2001年，您就产生了建造核时钟的想法。为什么经过20多年才取得实质性进展？

佩克：我和同事克里斯蒂安·塔姆（Christian Tamm）在2001年就产生了建造一种全新时钟的想法，这个想法源于一篇核物理的研究文献。研究表明，钍-229有一个非常低能量的跃迁。我们注意到这个跃迁的频率落在我们可以用激光来激发的范围内，而且我们实验室当时已经有了可用的激光技术，我们想到可以用它来制造时钟，甚至在几个月内就能完成这一研究。

但实现这一目标远比预想要困难得多，主要原因是当时文献中跃迁的频率信息不够精确，使得我们无法准确找到跃迁的位置。这并不是当时论文作者的责任，而是因为在核物理实验中，获取这些信息本身就非常困难。

基于当时的资料，我们意识到应该用蓝色光源来激发核，但实验没有成功。随着时间推移，我们发现这个跃迁并不应该在蓝色区域，而应该在真空紫外线区域，这种光在空气中几乎无法传播，制造这种激光系统也更加困难。

此外，制备钍原子核也是一个挑战，需要改进和优化晶体生产过程来实现。种种问题叠加在一起，让这个过程变得困难。这也是为什么直到二十多年后，我们才首次成功驱动了这一跃迁。

封面新闻：是什么支撑您坚持下去？

佩克：经历过无数次失败，我有时也会感到沮丧。但我从高中起就对物理学非常感兴趣。我既喜欢思考一些物理方面的基础问题，又喜欢在实验室进行一些可以实际操作的项目，我所做的研究正好是两者的结合。尤其有趣的是，这是一个跨学科的挑战，我需要学习原子物理学、核物理学、固体物理学和激光技术，并将它们融会贯通。

同时，德国国家计量研究所长期支持了这个项目，我有非常专业的同事和努力的学生，这都让我的坚持变得更容易。

是否已经完全建造了核时钟？

封面新闻：当您看到核时钟第一次“滴答”作响时，您的感受是什么？

佩克：那是2023年11月的一个下午，当时我不在实验室，去外面参加会议。当我回来时，同事和学生们都显得非常激动，他们告诉我核时钟第一次发出“滴答”声。我们在短暂的兴奋后，迅速恢复理智，先对这个消息进行了“保密”。在随后的一个月，我们反复检查实验室的所有条件，确认看到的是有效信号。在排除了人为干扰因素后，我们无疑是非常高兴的。

封面新闻：我是否可以理解为这仅仅意味着核时钟的构想变成可能，但并不意味着您已经完全建造了核时钟？

佩克：你所描述的时钟的“滴答”声实际上是首次激光激发的结果，所以这并不是核时钟建造成功的标志。由于目前依然存在许多技术上的挑战，比如在发展激光系统上，我们需要提升效率、缩小线宽、并保证其稳定运行，我们很难预测建造真正的核时钟还需要多少年。但这一成果给了我们以及世界其他相关研究团队希望和信心。我相信，近几年核时钟的相关研究将加速进行。

这项技术足够安全吗？

封面新闻：对许多人来说，“核”这个词让人联想到潜在危险。您在研究中有实际的风险吗，还是这项技术是足够安全的？

佩克：我们的研究几乎没有风险。为什么核技术通常被认为有风险呢？这是因为某些核过程可能会释放出高能量。即使是单个原子的衰变，也能释放出巨大能量。然而，我们所研究的核，其能量非常低。从这个角度来看，它与我们在化学过程中常见的原子或分子并没有本质区别。

钍-229同位素本身是有放射性的，它会发生α衰变，半衰期约为8000年，这意味着它并不是自然丰度很高的同位素，必须通过核反应堆生产，并从中提取出来。我们只需要使用微克级别的量进行核时钟实验，与此相关的能量释放几乎可以忽略不计。

封面新闻：您被《自然》杂志评为2024年年度十大人物之一。对此有何感受？您能给年轻研究人员一些建议吗？

佩克：得知这个消息非常高兴，因为这是一个非常高的荣誉。不仅对我，也是对整个团队的认可。我们团队中有许多优秀的科学家，我们共同努力，才取得了今天的成绩。这个荣誉肯定了我们在这个全新领域所做出的开创性工作。我希望能够从这次经历中学到更多，并继续在这个领域中继续探索和进步。同时，我坚信未来会有更多的研究者加入这个领域。

我认为好的研究往往源于人们追随自己的好奇心，并在此基础上不断努力。所以，我建议年轻的研究人员发现自己的兴趣，去寻找新的想法和有前景的领域，并全力以赴地追求它。