2026 年 10 月 7 日，《自然》杂志同一期上线了两篇论文：维也纳工业大学与德国联邦物理技术研究院（PTB）的联合团队、中国清华大学丁世谦团队，分别报告了基于钍-229 原子核跃迁的核光钟。这是这种计时装置第一次以闭环运行的形态存在：激光被原子核锁住，原子核反过来为激光校频，钟开始自己走。
在这之前，人类所有的钟都建在电子身上。微波原子钟数铯原子的超精细跃迁，光原子钟数锶、镱、铝离子的光频跃迁，都是原子外层电子在不同能级之间的移动。1976 年就有理论工作指出钍-229 可能是个例外，2003 年 PTB 的 Ekkehard Peik 与 Tamm 正式提出核光钟方案——用原子核内部的能级跃迁做频率基准。从提出方案到两台装置落地，走了二十三年。
为什么是钍-229：一个能量低到能用激光驱动的核跃迁
原子核的能级间隔通常在万电子伏到兆电子伏量级，驱动它们需要伽马射线，激光完全够不着。钍-229 是已知唯一的例外：它的第一激发态（同核异能态）与基态之间的能量差只有约 8.4 电子伏特，对应 148.4 纳米的真空紫外波段——恰好落在激光技术够得着的区间。
这个低能量来自一个能量学上的巧合。钍-229 基态与激发态的结合能各自由库仑项与核力项构成，两项都是兆电子伏量级，但在两个能级上几乎完全相消，剩下的差值被压到 8.4 电子伏。维也纳马克斯·普朗克研究所的 José Crespo López-Urrutia（未参与此项工作）打过一个比方：天平两端各放一艘油轮，两边重量恰好差一千克。正是这个"一千克"，让跃迁频率对基本常数的变化极端敏感——库仑项与核力项任何一头的耦合常数漂移，都会打破这个相消。
对计时而言，这个核跃迁的理论品质因数在 10^19 量级（裸核在真空中的激发态寿命接近 1 小时），比光钟离子跃迁的典型值高出若干数量级。原子核的尺度比原子小一万倍以上，对外部电磁场的扰动天然不敏感，这意味着核光钟原则上可以做得比现有光钟更准，而且可以在室温固体里做——不需要离子阱、不需要低温、不需要为单个离子维持一套复杂的电磁环境。
两台钟的同一个闭环，两条不同的路
两台装置的原理相同，都把原子钟行业最标准的闭环搬到了核跃迁上：一束连续波激光照射掺钍-229 的氟化钙晶体，当激光频率恰好压在核跃迁线上时，晶体对光的吸收达到峰值；频率稍有漂移，吸收立刻下降；反馈系统根据吸收信号实时修正激光频率，让激光持续锁死在核跃迁上。激光的振荡由此继承原子核的稳定性，再经频率梳把光频转换为可计数的电信号——这就是钟。
维也纳大学的装置是"自稳定"形态：整套系统不依赖外部原子钟，独立闭环运行超过 24 小时无需人工干预。它的 148 纳米光源由 1187 纳米商用激光四倍频产生，钟激光稳在法布里-珀罗腔上，再通过偏移锁相与倍频链路对接核跃迁。团队给出的短期稳定度为 3×10^-12/√τ（τ 为平均时间，单位秒），一天运行的稳定度逼近 10^-15，对应约 3000 万年一秒的误差。论文还报告了第一个物理应用：用这台钟的核跃迁频率数据约束超轻暗物质模型，在与光子耦合的维度上已与最好的原子钟打平，在与强相互作用的耦合维度上超过了既有测量。在同期刊发的专家评论里，西班牙计量中心的 Dolores del Campo 指出，维也纳装置的优势在于把核跃迁与一台镱离子钟做了频率比对——这是走向绝对频率测量的第一步。
清华团队的路线差异在光源与晶体两端。148 纳米连续波激光此前并不存在——国际同行用脉冲激光实现过核跃迁的直接激发，但连续波光源是锁钟的前提。丁世谦团队为此自主研制了 148 纳米连续波真空紫外激光，方案绕开了主流非线性晶体倍频路线，从频率变换原理入手，在获得短波长光的同时没有引入显著的相位噪声；这项光源工作先行发表于 2026 年 2 月的《自然》。晶体端，钍-229 是战略稀缺核素，团队与中科院上海光机所、上海硅酸盐所、上海应物所协同，在没有试错空间的条件下，用 1.4 微克钍-229 一次性生长出毫米尺度的掺钍氟化钙晶体，单次生长用量约为欧洲团队的二百分之一。
在性能上，清华团队报告的秒级稳定度比维也纳装置好接近一个数量级（短稳约优六倍），但维也纳团队完成了与镱离子钟的比对，拿到了通往"绝对频率"的入口。两台钟各占一个第一：一个第一个实现独立闭环的自稳定运行，一个以最少的核素资源做出了当前稳定度最高的固态核光钟。
从 8 电子伏的猜想到 148 纳米的激光：五十年技术链
这两篇论文背后是一条积累了半个世纪的技术链，中间任何一环断了都不会有今天的钟。
1976 年，Kroger 与 Reich 在伽马谱学研究中首次推测钍-229 存在一个能量异常低的同核异能态，当时的估计值还是"100 电子伏以下"这种量级模糊的猜想。此后近五十年，这个数字被逐步收窄：-1(4) eV、3.5(1.0) eV、7.8(5) eV——注意负值，那是测不准的年代的标志。2016 年，内部转换衰变道的观测证实了同核异能态的存在；2022 年，光辐射衰变被直接探测到，能量定为 8.338(24) eV。
2024 年是分水岭。4 月，维也纳与 PTB 的团队首次用激光直接激发钍-229 核跃迁；同年秋天，同一联盟把激发装置与一台常规光钟耦合，第一次让原子核扮演了计时器的角色——但那还不是独立运行的钟，钍核更像是被光钟"照看"的频率参考。真正的核光钟要求反过来：用核跃迁去稳定激光。
中间缺失的一环正是 148 纳米连续波光源。真空紫外波段没有现成的商用激光，频率变换器件在短波端的损耗与噪声控制都是未解难题。维也纳团队与清华团队各自攻关：前者用 1187 纳米四倍频加准相位匹配晶体，后者自研频率变换方案。2025 年，连续波 148 纳米激光系统在不同团队先后落地；2026 年 2 月，清华的光源方案登上《自然》；10 月，两台闭环核光钟同刊发表。
Peik 与 Tamm 在 2003 年的原始提案里写下的目标，如今算完成了第一段。
它对日常计时没有影响，对物理学影响很大
先说清楚它现在做不到什么。10^-15 量级的一天稳定度，距离最好的光原子钟还有两到三个数量级的差距；西班牙计量中心 del Campo 的判断是，如果国际单位制的"秒"按计划在 2030 年前后改用光钟重新定义，核光钟赶不上这一轮，它们的贡献要等下一次修订。Crespo López-Urrutia 也指出，两台装置的晶体温度稳定性与纯度都还有明显的工程改进空间。
它真正的用武之地在两个方向。
第一个是基础物理。核光钟对超轻暗物质的灵敏度，来自那个"两艘油轮差一千克"的能量巧合——暗物质场若与光子或强子耦合，会调制精细结构常数与强相互作用的相对强度，直接改变钍-229 的跃迁频率。维也纳团队已经用首批数据排除了标量玻色子暗物质参数空间里近三个数量级的区间。作为对比，原子钟靠电子跃迁做同样的搜索，而钍核跃迁对这类效应的灵敏度高出近四个数量级。一项装置建造期的技术，物理产出已经排在了时间精度前面。
第二个是工程化。固态方案意味着钟的核心是一块毫米尺度的晶体加一套激光系统，不需要离子阱与低温环境。新华社的报道里，科研人员给出的应用画像是卫星导航与深空探测——这两类场景的共同约束是体积、功耗与环境耐受，离子阱光钟装不上去的地方，一块晶体的钟有机会。同样因为核跃迁对环境扰动不敏感，极端电磁环境下的长期频率保持是固态核光钟相对光钟的结构性优势。
秒定义的历史上，铯钟让位于光钟用了将近二十年。核光钟现在处在光钟 2000 年代初的位置：原型已经闭环，精度落后，改进路径明确——更强的激光、更纯的晶体、更低的温度系数。Peik 与 Tamm 2003 年那篇提案论文的题目是"光频核钟"(An optical clock based on a nuclear transition)。二十三年后，钟走起来了。
来源：
- T. Toscani De Col et al., "A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop", Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4
- B. Huang et al., "A nuclear clock synchronized to Th-229", Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1
- 维也纳工业大学官方新闻稿：The First Stand-Alone Nuclear Clock is Ticking in Vienna
- 清华大学物理系：丁世谦团队在国际上率先研制成功核光钟
- 新华社：向更精准计时迈进 中国科学家成功研制核光钟
- 西班牙科学媒体中心（SMC Spain）专家评论：José R. Crespo López-Urrutia（马普所核物理所）、Dolores del Campo（西班牙计量中心）、Daniel Rodríguez Rubiales（格拉纳达大学）
