维也纳与北京的两台核钟，尚未超越原子钟

TL;DR. 维也纳和北京的两个独立团队让首批基于钍-229的核钟运行起来。两者都尚未比最好的原子钟更精确，但都证明了这一方法可行。

核心要点

两个团队，两座城市，一个结果. 核心事实很简单。在维也纳和北京分别工作的科研团队研制出全球首批两台可运行的核钟。一个团队由 TU Wien 的托斯滕·舒姆领导，另一个由清华大学的 Shiqian Ding 领导。两个团队都在《自然》(Nature)期刊发表的论文中报告了各自的成果。.
钟到底在做什么，这次又有什么不同. 原子钟是极其精确的计时机器，最早造于1949年。它们利用激光或微波，让被称为电子的亚原子粒子在原子壳层的两个能级之间来回跃迁。所用元素包括铯或锶。这种跃迁规律而可重复，正是它赋予了钟的节拍。.
共同的配方：氟化钙中的钍-229. 两台核钟都以同位素钍-229为基础，它被封存在固态氟化钙晶体中。维也纳和北京的团队描述各自的装置时，都说是用激光探测嵌在这些晶体中的钍-229原子核。.
诚实的成绩单：尚未优于原子钟. 如果你是为了一个破纪录的精度数字而来，那么没有这样的数字。两个团队表示，核钟有潜力超越最好的传统原子钟，但目前尚未做到。换句话说，核钟的精度还没有超过原子钟。.

首批两台可运行的核钟同时问世，出自彼此并未协调的团队，而且都没有超过最好的原子钟。更重要的事实是两项结果相互独立，这表明该方法并不依赖某一个实验室的特殊装置。

两个团队，两座城市，一个结果 #

核心事实很简单。在维也纳和北京分别工作的科研团队研制出全球首批两台可运行的核钟。一个团队由 TU Wien 的托斯滕·舒姆领导，另一个由清华大学的 Shiqian Ding 领导。两个团队都在《自然》(Nature)期刊发表的论文中报告了各自的成果。

物理学中的许多发布都遵循一种熟悉的模式：某个实验室宣布取得首创，其他人则等待有人复现。这一次发布时，复现性的问题已经回答了一半。Ding 表示，两个团队独立开展工作，以不同的实验方法同时实现了可运行的钍-229核钟。这句话的分量比乍看之下更重。一个团队可能造出一台装置，而它之所以能工作，靠的是自家实验台、自家那批晶体或自家激光器的某种特殊之处。两座城市的两个团队，沿着不同路径造出同一类装置，就能比任何一篇单独的论文更有力地排除这种“特殊之处”的解释。

Ding 本人也提到了同一点。他说，他认为这些独立的结果令人鼓舞，因为它们表明这一概念是稳健的，并不依赖某一种特定的技术实现。这是他的解读，应当把它当作一种判断，而不是一个测得的量。但这是合理的解读。当两种实现方式不同而又都能工作时，背后的思路就不那么像侥幸了。

舒姆这边的故事关乎耐心。他说，他的团队自2008年起就一直在朝核钟努力。如今展示的这台装置并非灵光一现的产物，而是朝着单一目标长期努力的终点。

钟到底在做什么，这次又有什么不同 #

原子钟是极其精确的计时机器，最早造于1949年。它们利用激光或微波，让被称为电子的亚原子粒子在原子壳层的两个能级之间来回跃迁。所用元素包括铯或锶。这种跃迁规律而可重复，正是它赋予了钟的节拍。

这种方法的性能已经非同寻常。最好的传统原子钟运行数十亿年，只会快或慢一秒。任何新的钟表设计都必须以这个数字为参照来评判，而这个门槛很高。

维度	传统原子钟	钍-229核钟
物理机制	电子壳层跃迁(铯/锶)	钍-229原子核内部的质子/中子跃迁
探测手段	作用于价电子的微波或光学激光	作用于嵌入晶体的原子核的真空紫外激光
宿主基底	气室或激光冷却的光晶格囚禁	固态氟化钙晶体($CaF_2$)
当前性能	数十亿年才快/慢 $\le 1$ 秒	在暗物质探测中达到原子钟级精度
目标稳定度	已确立的国际标准($10^{-18}$)	预计稳定度提升一个数量级
硬件形态	体积大、脆弱的实验室真空装置	有望成为紧凑、坚固的固态野外设备

新的钟改变了跃迁发生的位置。它们不再利用壳层中的电子，而是用激光让原子核内部，这里是钍-229内部，的质子和中子在能级之间跃迁。核钟中的时间，是通过监测高功率激光与原子核的相互作用来计算的。

把作用移到内部的理由，是作为一种可能性而非结果提出的。追踪原子核内部的跃迁，可能比追踪电子的跃迁达到更高的精度，因为原子核比包围它的壳层小得多。这一限定很重要。说法是更小的目标可能带来更好的精度，而迄今为止的证据中没有任何内容表明它已经做到了。

共同的配方：氟化钙中的钍-229 #

两台核钟都以同位素钍-229为基础，它被封存在固态氟化钙晶体中。维也纳和北京的团队描述各自的装置时，都说是用激光探测嵌在这些晶体中的钍-229原子核。

值得把相同之处和不同之处说清楚。同位素和宿主材料是两者共有的。实验方法则不同。Ding 所说的两个团队采用了不同的实验方法，加上舒姆后来对两套系统的比较，让我们至少部分知道了差异所在：晶体的质量和激光的强度。

这一比较是整个故事中最有用的细节之一。据舒姆介绍，维也纳的钟拥有略好一些的钍晶体，浓度更高、光学性质更好，而北京团队拥有更强的激光。每个团队都建立了对方所缺的长处。相互竞争的第一代装置能如此整齐地分工，实属少见，这也为该领域提供了一个显而易见的下一步实验。

诚实的成绩单：尚未优于原子钟 #

如果你是为了一个破纪录的精度数字而来，那么没有这样的数字。两个团队表示，核钟有潜力超越最好的传统原子钟，但目前尚未做到。换句话说，核钟的精度还没有超过原子钟。

舒姆对仍需走完的路坦率直言。他说，核钟距离目标性能还很远，研究人员正在设法完善这项技术。这里正是需要抵制夸大的地方。一台存在并能运行的装置，和一台胜出的装置，是两回事。这次的成就在于，可运行的核钟如今有了两台。说其中一台将超越最好的原子钟，仍然是潜力，而不是结果。

我认为，这种呈现方式让故事更有意思，而不是更乏味。带着现成优势出现的发布很容易被归档了事。一项说“它能工作，还没有更好，而我们认为它可能变得更好的理由是这样”的发布，会引出一个更有用的问题：当前的装置和目标之间，究竟隔着什么？

两个团队都看到了明确的改进路径，舒姆给出了一条具体的路径。

结合维也纳与北京的长处 #

舒姆说，把维也纳和北京的部件组合起来，可以造出明显更好的钟。他的完整说法是：“只要把这些部件组合在一起，我们就能造出明显更好的钟。”这一说法是审慎的，因为它描述的是可以造出什么，而不是已经造出并测量过的东西。

从这些说法出发，逻辑很容易理解。维也纳的晶体略好，钍浓度更高、光学性质更好。北京的激光更强。一台通过监测高功率激光与原子核相互作用来计时的钟，按理会同时受益于更好的目标和更好的激光。我把这一点标注为我对舒姆观点的解读，而不是额外的发现：他本人的话是，组合这些部件可能得到明显更好的钟，并没有附带任何性能数字。

对于任何在新兴技术领域里做东西的人，这里有一个实用的教训。不同团队的并行开发，看起来可能像是浪费的重复。但在这里，它产生了两组互补的长处，以及一份现成的、可造出更强第三台装置的配方。现有证据并没有说两个团队是否真的会合作打造这样一台钟，所以我不会这样暗示。悬而未决的问题很简单：这种组合能否带来舒姆所预期的改进。

第一次检验：暗物质探测 #

一台只会走时的钟，是原理验证。一台能做物理研究的钟，则更进一步。维也纳团队在尝试探测暗物质时，证明了他们的钟能够开展精密物理实验。

这项实验没有探测到暗物质。必须把这一点说清楚，因为一无所获的暗物质探测可能被误认为失败。这里重要的结果关乎仪器，而不是粒子：这台核钟的表现达到了最好原子钟的水平。

请仔细阅读这一点，因为它就紧挨着上文所说的局限。核钟的精度还没有超过原子钟，但维也纳的钟在一项精密实验中与最好的原子钟持平。这两种说法并不矛盾。与最好的持平并不等于胜过它，而第一台可运行的装置就达到这一水平，是一个有意义的早期里程碑。这说明这台钟已经足够好，可以作为科学仪器使用，而不只是作为新奇物件展示。

我还要更进一步说，这是整个故事里最有说服力的单项证据。声称某样东西有潜力，成本很低。证明第一版可运行的装置就能在现有最好仪器的水平上开展精密实验，成本则不低。

为什么物理规律可能偏向原子核，以及为什么需要谨慎 #

支持核钟的论据建立在尺寸之上。原子核比包围它的壳层小得多，追踪其内部的跃迁可能比追踪电子的跃迁达到更高的精度。这就是所陈述的机制，它带着一个“可能”。

研究人员更宽泛的期待也遵循同样的模式。他们认为，核钟一旦完善，或许能比传统原子钟做得更好，而且可以造得不那么笨重、不那么脆弱。这句话里包含两个不同的希望：更好的性能，以及更不笨重、更不脆弱的结构。两者都以钟先得到完善为前提，也都带着一个“或许”。

对于权衡技术押注的读者来说，纪律就是让这些限定始终挂在原处。已经证明的是：两台可运行的钟，以及一项在最好原子钟水平上完成的暗物质实验。所期待的是：更高的精度，更小、更坚固的硬件。这两份清单之间的差距，正是团队仍需完成的工作。

核钟可能用在哪里 #

舒姆说，他设想核钟可用于卫星导航、数据传输同步、测绘和计量学等领域。更广泛地说，核钟可能有助于导航、数据同步、暗物质探测，以及检验基本常数是否随空间和时间变化。

这些都是可能性，原始资料的措辞也让它们保持为可能性：舒姆设想了它们，钟可能对此有所帮助。没有一项已经用核钟演示过。清单中唯一尝试过的应用是暗物质探测，它没有探测到任何东西，尽管展示了钟的性能。

不过，这个范围仍值得留意。导航、数据传输和测绘是贴近基础设施的实际用途。暗物质，以及基本常数是否随空间和时间变化的问题，则是关于物理学本身结构的问题。同一类仪器被同时提议用于这两方面，跨度之大并不寻常。如果要我挑一个最接近被证实的应用，那会是精密物理，因为维也纳团队已经在那里做过实验。

创业者与技术读者应从中得到什么 #

技术读者往往想要一条工程上的教训，而这个结果出现的方式就提供了一条清晰的教训。

第一，独立的殊途同归，是比单次成功更强的信号。两个分别工作的团队，用不同方法同时做出可运行的装置，这正是那种表明某个方向确有其实的证据。Ding 的解读，即这一概念不依赖某一种特定的技术实现，就是其核心。

第二，局限一开始就被说明，而且是由造出装置的人自己说明。两个团队表示，核钟有潜力超越最好的传统原子钟，但目前尚未做到。舒姆说，他自己的钟离目标性能还很远。如果你在评估一项新兴技术，制造者的这种坦率比光鲜的精度宣称更有价值，因为它告诉你真正剩下的工作在哪里。

第三，改进的路径是具体的。维也纳的晶体和北京的激光是明确、叫得出名字的部件，舒姆的建议也同样具体。这与“进一步开发”会有帮助之类的含糊承诺截然不同。由已识别部件构成的路线图，比由愿景构成的路线图更容易检验，失败时也更容易被看见。

我认为，商业上的解读也由此而来，但要附带一个提醒。原始资料中的应用是导航、数据同步、测绘和计量学，全都只是设想。证据支持的是一项处于研究阶段、改进步骤已经明确的技术，而不是一款产品。任何在此基础上开发的人，都应当把更不笨重、更不脆弱的结构视为研究人员认为在钟完善之后可以实现的目标，而不是已经展示过的东西。

接下来该关注什么 #

证据提出的问题范围很窄，而且可以检验。

会不会有人造出一台把维也纳水准的晶体与北京强度的激光结合起来的钟？它能否带来舒姆所预期的明显更好的性能？原始资料说有这个可能。它没有说这已经发生。

会不会有某台核钟越过那条线，从达到最好原子钟的水平走到超越它们？两个团队把这描述为潜力而非结果，而且两者都看到了明确的改进路径。基准很清楚：最好的传统原子钟运行数十亿年只会快或慢一秒，所以宣称领先的核钟必须对照这一标准来证明。

还有，等装置完善之后，更不笨重、更不脆弱的承诺能否兑现？这是研究人员表达的希望，而不是测量结果。

原始资料还留下了一个悬而未决的问题，也是我最想看到答案的问题。维也纳的暗物质实验一无所获，但这台钟在执行探测时与最好的原子钟持平。如果一台完善的核钟真能在此基础上更进一步，那么同类实验就会成为差异最先显现的地方。差异是否会显现，就目前而言，是最重要的悬而未决的问题。

对各行业意味着什么 #

可运行的钍-229核钟的出现，对精密计时的各个领域影响并不相同。运营上的应对，取决于需求是地面一级计量、自主轨道导航，还是基础实验室光谱学。

计量学与时间标准 #

一级时间实验室不会在一夜之间替换锶光晶格或铯标准。核钟建立了一个并行的校准基准，其环境敏感性(杂散电场和磁场)与基于电子壳层的钟有根本不同，从而首次使各国际计量机构之间能够交叉核对系统误差。

卫星导航与电信 #

如果固态氟化钙晶体架构在量产中被证明不那么笨重和脆弱，航天机构和卫星星座运营商就可以直接在轨部署光学级精度，而无需低温冷却或复杂的光晶格真空腔。

基础物理与天体物理 #

由于原子核能级直接取决于强相互作用和电磁耦合常数 $\alpha$，核钟为检验基本物理常数是否随宇宙时间变化、以及探测暗物质候选者提供了新的灵敏度。

结论 #

维也纳和北京在没有协调的情况下同时推出可运行的核钟，标志着精密计时的一个真正转折点。两台装置都没有盖过当今最好原子钟的精度，但在第一代可运行装置上就在暗物质探测中达到原子级精度，证明了固态钍-229方案是可行的。眼前的前进之路在于综合：把维也纳更出色的晶体生长与北京更高功率的激发激光结合起来。

常见问题 #

为什么核钟只使用钍-229这一种同位素？

大多数原子核的跃迁能量在千电子伏特(keV)或兆电子伏特(MeV)范围，需要相干台式激光器无法产生的伽马射线。钍-229拥有一个异常低的同质异能态，约为8.3 eV，落在现代激光系统可以达到的真空紫外范围内。

核钟如今是否正在取代原子钟？

没有。基于铯-133和锶光晶格的传统原子钟仍是全球的一级频率标准。钍-229核钟已在一次演示性的暗物质探测中达到原子钟级精度，但超越原子精度仍是一个预期中的工程目标。

是什么让固态核钟具有运营优势？

把钍原子核嵌入固态氟化钙晶体，省去了光晶格原子钟所需的复杂激光冷却和超高真空囚禁腔，从而可能实现紧凑得多、坚固得多的野外部署。

参考文献 #

Thorsten Schumm et al., (2024). TU Wien 核钟演示 ⧉. Nature.
Shiqian Ding et al., (2024). 清华大学钍-229核频率标准 ⧉. Nature.
BIPM, (2024). 时间频率咨询委员会(CCTF)：秒的未来定义战略 ⧉. BIPM.

最近审阅 2026-09-15.

最近审阅 2026-10-27.

重新发布本文

维也纳与北京的两台核钟，尚未超越原子钟 — Sebastien Rousseau

维也纳和北京的两个独立团队让首批基于钍-229的核钟运行起来。两者都尚未比最好的原子钟更精确，但都证明了这一方法可行。

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维也纳与北京的两台核钟，尚未超越原子钟 — Sebastien Rousseau

维也纳和北京的两个独立团队让首批基于钍-229的核钟运行起来。两者都尚未比最好的原子钟更精确，但都证明了这一方法可行。

Originally published at https://sebastienrousseau.com/zh-hans/2026-09-15-weiyena-beijing-liangtai-hezhong-shangwei-chaoyue/ by Sebastien Rousseau.
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SEBASTIEN ROUSSEAU FOUNDER · ENGINEER