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核光谱学突破可能改写自然基本常数
核光谱学的突破或将带来最精确的时钟，并推动深空导航和通信等领域的发展。
近50年来，物理学家一直梦想着通过激光提升原子核的能量状态来解锁更多秘密。实现这个目标不仅能让现有的原子钟被更为精确的核钟取代，推动深空导航和通信的发展，还能帮助科学家精确测量自然基本常数是否真的恒定，还是因为我们测量得不够精确才显得恒定。
现在，由UCLA物理与天文学教授Eric Hudson领导的团队实现了这一看似不可能的目标。通过将钍原子嵌入高度透明的晶体中并用激光轰击，Hudson的团队成功让钍原子的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》上。
这意味着目前通过原子电子进行的时间、重力等领域的测量可以达到数量级更高的精度。原因在于原子电子受环境中多种因素的影响，影响其吸收和发射光子的方式，限制了测量的精度。而中子和质子则集中在原子核内，受到的环境干扰较少。
利用这项新技术，科学家可能确定诸如微细结构常数等基本常数是否会变化。天文学的提示表明，微细结构常数在宇宙的不同地方或不同时间可能并不相同。通过核钟对微细结构常数的精确测量可能彻底改写这些最基本的自然法则。
“核力非常强大，意味着核内的能量比电子的能量强一百万倍，这意味着如果自然基本常数有偏离，核内的变化将更大更明显，使得测量的灵敏度提高几个数量级，”Hudson说。“使用核钟进行这些测量将提供迄今为止最灵敏的‘常数变化’测试，未来100年内可能没有实验能与之匹敌。”
Hudson的团队首次提出了一系列实验，用激光刺激掺入晶体的钍-229核，并在过去15年里致力于实现这一最新成果。让原子核内的中子对激光光线做出反应具有挑战性，因为它们被电子包围，电子容易对光线反应并减少实际能到达核内的光子数量。通过吸收光子提升能级的粒子被称为处于“激发”状态。
UCLA团队将钍-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，将原子悬挂起来，使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，激发它们所需的能量非常高，允许较低能量的光线到达核内。钍核可以吸收这些光子并重新发射，使核的激发状态能够被检测和测量。通过改变光子的能量并监测核的激发率，团队能够测量核的激发态能量。
“我们以前从未能够用激光驱动核跃迁，”Hudson说。“如果你用透明晶体固定住钍，你就可以用光和它对话。”
Hudson表示，这项新技术可以在需要极高精度的时间测量、传感、通信和导航中找到应用。现有基于电子的原子钟是房间大小的装置，带有用于捕捉原子的真空室和冷却设备。基于钍的核钟将更小、更坚固、更便携且更精确。
“没有人会对钟表感到兴奋，因为我们不喜欢时间被限制的感觉，”他说。“但我们每天都在使用原子钟，比如让我们的手机和GPS正常工作的技术。”
超越商业应用，新的核光谱学可能揭示宇宙的一些最大谜团。对原子核的敏感测量打开了了解其性质及其与能量和环境相互作用的新途径。这反过来将让科学家测试他们关于物质、能量和时空法则的一些最基本的想法。
“人类和地球上的大多数生命一样，存在于观察不到宇宙真正运行机制的尺度上，”Hudson说。“从我们有限的视角观察到的是不同尺度、时间和能量效应的集合，我们所制定的自然常数似乎在这个层面上保持不变。
“但如果我们能更精确地观察，这些常数可能实际上会变化！我们的工作在这些测量上迈出了重要的一步，无论结果如何，我相信我们会对所学到的东西感到惊讶。”
这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF)的资助。
“几十年来，越来越精确的基本常数测量让我们更好地理解了各个尺度上的宇宙，并因此开发出促进经济增长和增强国家安全的新技术，”NSF数学和物理科学部代理副主任Denise Caldwell说，该部门为这项研究提供了资助。“这种基于原子核的技术有一天可能会让科学家如此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’。”