近 50 年来，物理学家一直梦想着通过利用激光提高原子核的能级来揭开秘密。这一成就将使当今的原子钟被核钟取代，而核钟将是有史以来最精确的时钟，从而推动深空导航和通信等技术的发展。它还将使科学家能够精确测量自然界的基本常数是否真的是恒定的，还是仅仅因为我们还没有足够精确地测量它们而显得恒定。

现在，由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授埃里克·哈德森领导的研究小组完成了看似不可能的任务。通过将钍原子嵌入高度透明的晶体中并用激光轰击晶体，哈德森的研究小组成功地让钍原子的原子核像原子中的电子一样吸收和发射光子。这一惊人的壮举发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中。

这意味着，目前使用原子电子进行的时间、重力和其他领域的测量可以以高出几个数量级的精度进行。原因是原子电子受到其环境中许多因素的影响，这会影响它们吸收和发射光子的方式并限制其准确性。另一方面，中子和质子被束缚在原子核内，并且高度集中，受到的环境干扰较少。

利用这项新技术，科学家或许能够确定基本常数(例如精细结构常数，它决定了原子结合在一起的力的强度)是否发生变化。天文学的线索表明，精细结构常数可能在宇宙的任何地方或所有时间点都不一样。使用核钟精确测量精细结构常数可能会完全改写一些最基本的自然定律。

“核力如此之强，意味着原子核中的能量比电子中的能量强一百万倍，这意味着，如果自然界的基本常数发生偏离，原子核中产生的变化会更大、更明显，从而使测量的灵敏度提高几个数量级，”哈德森说。

“使用核钟进行这些测量将提供迄今为止最灵敏的‘恒定变化’测试，并且未来 100 年内可能没有任何实验可以与之匹敌。”

哈德森的研究小组是第一个提出用激光刺激晶体中掺杂的钍-229 原子核的一系列实验的小组，他们在过去 15 年中一直致力于取得最新发表的成果。让原子核中的中子对激光作出反应是一项挑战，因为它们被电子包围，而电子很容易对光作出反应，可以减少实际能够到达原子核的光子数量。一个能级升高的粒子，例如通过吸收光子，被称为处于“激发”状态。

加州大学洛杉矶分校的研究小组将钍-229 原子嵌入富含氟的透明晶体中。氟可以与其他原子形成特别强的键，使原子悬浮，并使原子核像蜘蛛网中的苍蝇一样暴露出来。电子与氟的结合非常紧密，因此激发它们所需的能量非常高，从而使较低能量的光能够到达原子核。钍原子核可以吸收这些光子并重新发射它们，从而可以检测和测量原子核的激发。

通过改变光子的能量并监测原子核的激发速率，研究小组能够测量原子核激发态的能量。

“我们以前从未能够用激光驱动这样的核跃迁，”哈德森说。“如果你用透明晶体固定钍，你就可以用光与它对话。”

哈德森表示，新技术可用于传感、通信和导航等需要极高精度计时的领域。现有的基于电子的原子钟都是房间大小的装置，配有真空室以捕获原子和与冷却相关的设备。基于钍的核钟体积更小、更坚固、更便携、更精确。

“没有人会对时钟感到兴奋，因为我们不喜欢时间受限的想法，”他说。“但我们每天都在使用原子钟，例如，在使手机和 GPS 正常工作的技术中。”

除了商业应用之外，新的核光谱技术还可以揭开宇宙中一些最大的谜团。对原子核进行灵敏测量开辟了一条了解原子核特性及其与能量和环境相互作用的新途径。这反过来又可以让科学家检验他们关于物质、能量以及空间和时间定律的一些最基本的想法。

“人类和地球上的大多数生命一样，生存的尺度要么太小，要么太大，以至于无法观察宇宙中真正发生的事情，”哈德森说。“从我们有限的视角来看，我们所能观察到的是不同尺度、时间和能量的效应的集合，而我们制定的自然常数似乎也适用于这个层面。”

“但如果我们能够更精确地观察，这些常数实际上可能会发生变化。我们的工作已朝着这些测量迈出了一大步，无论如何，我相信我们会对所学到的东西感到惊讶。”

美国国家科学基金会数学与物理科学理事会代理助理主任丹尼斯·考德威尔 (Denise Caldwell) 表示：“几十年来，对基本常数的测量越来越精确，这使我们能够更好地了解各个尺度的宇宙，并随后开发出新技术，促进我们的经济发展和加强我们的国家安全。”

“这种基于原子核的技术有一天可以让科学家精确地测量一些基本常数，以至于我们可能不得不停止称它们为‘常数’。”

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