【科學講堂】以原子核為「鐘擺」 精準度量時間

隨着社會發展的步伐愈發急速，我們對準確地量度時間的要求也愈來愈高。及至工程和科學等前沿領域，就更需要十分精準地量度時間的流動。各位應該都聽說過原子鐘是十分準確的計時工具，但我們還不滿足於此。近年有研究團隊取得突破，為利用原子核製造更精準的時鐘踏出重要一步。這次就跟大家分享一下這個課題。

一般來說，一個時鐘主要由三個部分組成：一是某種形式的振盪器，負責以十分固定的頻率規律地振盪。第二是一個提供基準的機制，好讓我們知道振盪器的頻率是否有太大偏差。第三是一個計數器，記下振盪器振盪了多少次，再計算出究竟經過了多少時間。

比如說較古老的「大笨鐘」，其中就運用了鐘擺作為振盪器，以鐘擺的左右擺動作為量度時間的規律來源。另外，天文觀測（例如太陽的位置）可以用來校準時鐘。最後就是一連串機械零件，將鐘擺的擺動轉化為指針在鐘面上的旋轉，因而呈現出我們可以看見的時、分、秒。

原子鐘（atomic clock）背後的設計亦是類似的概念。假如振盪器來回一次所需的時間太長（例如一分鐘），每個周期所代表的時間單位就太大，將會很難精細地量度時間；一般而言，振盪頻率愈高、周期愈短，愈能提供精細的時間刻度。

原子鐘作為準確的計時器，並不是單純以激光作為振盪器，而是以原子能級躍遷所對應的電磁波頻率作為振盪基準；激光則常用來冷卻、操控和讀取原子，在光鐘中也可作為非常穩定的本地振盪器。那麼，在哪裏可以找到精確量度時間的基準？構成物質的原子原來早已收藏了這樣一把量度時間的「尺子」：原子核外的電子只能佔據特定的能級（energy level）。

先進核光鐘數百億年誤差不到一秒

當一個電子從較高能級躍遷到較低能級，能量差就會以光子（電磁波）的形式釋放出來。由於能級的能量是固定的，這些光子的能量亦是不變；又因為光子的能量由其頻率決定，這些躍遷對應的頻率非常穩定，很適合作為精細量度時間的基準。以這類躍遷製成的先進核光鐘（nuclear optical clock），穩定度可達數百億年才差一秒。

不過原子鐘亦會受外在電磁場影響而變得不穩定。比如說要把原子或離子固定在原子鐘之中，就往往需要用到電磁場或激光。而且周圍的環境和物品因溫度而發出熱輻射，亦會構成電磁場。這些電磁場會影響原子的能級，因而改變釋放出來的光子頻率，影響時間量度的準確度。

要解決這個問題，其中一個方法是運用原子核自身的能級來替代電子能級。（跟電子一樣，原子核亦只能夠處於特定的能級之中。）因為原子核的尺度約為原子的十萬分之一，它們受外在電磁場的影響通常亦相應較少。

2024年，有研究團隊成功利用釷-229的原子核製成核鐘原型。為此，我們需要準確地量度釷-229原子核從一個能級躍遷到另一個能級時所釋放出來的光子頻率。研究團隊已經成功示範核鐘的運作，但它的穩定性還有待進一步改良。當核鐘技術更成熟後，未來有望為深空探測等高精度時間頻率需求提供實用技術選擇。

（編按：釷是一種金屬化學元素，釷-229為其放射性同位素之一。驅動釷-229原子核內部能級躍遷所需的能量較低，該原子核的能級躍遷是目前已知唯一能以激光直接觸及並操控的核躍遷。）

●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。