維也納與北京的兩台核鐘，尚未超越原子鐘

TL;DR. 維也納和北京的兩個獨立團隊讓首批以釷-229為基礎的核鐘運作起來。兩者都尚未比最好的原子鐘更精確，但都證明了這個方法可行。

核心要點

兩個團隊，兩座城市，一個結果. 核心事實很簡單。在維也納和北京分別工作的研究團隊研製出全球首批兩台可運作的核鐘。一個團隊由 TU Wien 的托斯滕·舒姆領導，另一個由清華大學的 Shiqian Ding 領導。兩個團隊都在《自然》(Nature)期刊發表的論文中報告了各自的成果。.
鐘到底在做什麼，這次又有什麼不同. 原子鐘是極其精確的計時機器，最早造於1949年。它們利用雷射或微波，讓稱為電子的次原子粒子在原子殼層的兩個能階之間來回躍遷。所用元素包括銫或鍶。這種躍遷規律而可重複，正是它賦予了鐘的節拍。.
共同的配方：氟化鈣中的釷-229. 兩台核鐘都以同位素釷-229為基礎，它被封存在固態氟化鈣晶體中。維也納和北京的團隊描述各自的裝置時，都說是用雷射探測嵌在這些晶體中的釷-229原子核。.
誠實的成績單：尚未優於原子鐘. 如果你是為了一個破紀錄的精度數字而來，那麼沒有這樣的數字。兩個團隊表示，核鐘有潛力超越最好的傳統原子鐘，但目前尚未做到。換句話說，核鐘的精度還沒有超過原子鐘。.

首批兩台可運作的核鐘同時問世，出自彼此並未協調的團隊，而且都沒有超過最好的原子鐘。更重要的事實是兩項結果相互獨立，這顯示該方法並不依賴某一個實驗室的特殊裝置。

兩個團隊，兩座城市，一個結果 #

核心事實很簡單。在維也納和北京分別工作的研究團隊研製出全球首批兩台可運作的核鐘。一個團隊由 TU Wien 的托斯滕·舒姆領導，另一個由清華大學的 Shiqian Ding 領導。兩個團隊都在《自然》(Nature)期刊發表的論文中報告了各自的成果。

物理學中的許多發表都遵循一種熟悉的模式：某個實驗室宣布取得首創，其他人則等待有人重現。這一次發表時，可重現性的問題已經回答了一半。Ding 表示，兩個團隊獨立進行研究，以不同的實驗方法同時實現了可運作的釷-229核鐘。這句話的分量比乍看之下更重。一個團隊可能造出一台裝置，而它之所以能運作，靠的是自家實驗台、自家那批晶體或自家雷射的某種特殊之處。兩座城市的兩個團隊，沿著不同途徑造出同一類裝置，就能比任何一篇單獨的論文更有力地排除這種「特殊之處」的解釋。

Ding 本人也提到了同一點。他說，他認為這些獨立的結果令人振奮，因為它們顯示這個概念是穩健的，並不依賴某一種特定的技術實作。這是他的解讀，應該把它當作一種判斷，而不是一個量測到的量。但這是合理的解讀。當兩種實作方式不同而又都能運作時，背後的想法就不那麼像僥倖了。

舒姆這邊的故事關乎耐心。他說，他的團隊自2008年起就一直朝核鐘努力。如今展示的這台裝置並非靈光一閃的產物，而是朝著單一目標長期努力的終點。

鐘到底在做什麼，這次又有什麼不同 #

原子鐘是極其精確的計時機器，最早造於1949年。它們利用雷射或微波，讓稱為電子的次原子粒子在原子殼層的兩個能階之間來回躍遷。所用元素包括銫或鍶。這種躍遷規律而可重複，正是它賦予了鐘的節拍。

這種方法的效能已經非比尋常。最好的傳統原子鐘運作數十億年，只會快或慢一秒。任何新的時鐘設計都必須以這個數字為參照來評判，而這個門檻很高。

面向	傳統原子鐘	釷-229核鐘
物理機制	電子殼層躍遷(銫/鍶)	釷-229原子核內部的質子/中子躍遷
探測手段	作用於價電子的微波或光學雷射	作用於嵌入晶體的原子核的真空紫外雷射
宿主基材	氣室或雷射冷卻的光晶格囚禁	固態氟化鈣晶體($CaF_2$)
目前效能	數十億年才快/慢 $\le 1$ 秒	在暗物質探測中達到原子鐘級精度
目標穩定度	已確立的國際標準($10^{-18}$)	預計穩定度提升一個數量級
硬體形態	體積大、脆弱的實驗室真空裝置	有望成為精巧、堅固的固態野外設備

新的鐘改變了躍遷發生的位置。它們不再利用殼層中的電子，而是用雷射讓原子核內部，這裡是釷-229內部，的質子和中子在能階之間躍遷。核鐘中的時間，是透過監測高功率雷射與原子核的交互作用來計算的。

把作用移到內部的理由，是作為一種可能性而非結果提出的。追蹤原子核內部的躍遷，可能比追蹤電子的躍遷達到更高的精度，因為原子核比包圍它的殼層小得多。這項限定很重要。說法是更小的目標可能帶來更好的精度，而至今為止的證據中沒有任何內容顯示它已經做到了。

共同的配方：氟化鈣中的釷-229 #

兩台核鐘都以同位素釷-229為基礎，它被封存在固態氟化鈣晶體中。維也納和北京的團隊描述各自的裝置時，都說是用雷射探測嵌在這些晶體中的釷-229原子核。

值得把相同之處和不同之處說清楚。同位素和宿主材料是兩者共有的。實驗方法則不同。Ding 所說的兩個團隊採用了不同的實驗方法，加上舒姆後來對兩套系統的比較，讓我們至少部分知道了差異所在：晶體的品質和雷射的強度。

這項比較是整個故事中最有用的細節之一。據舒姆說明，維也納的鐘擁有略好一些的釷晶體，濃度更高、光學性質更好，而北京團隊擁有更強的雷射。每個團隊都建立了對方所缺的長處。相互競爭的第一代裝置能如此整齊地分工，實屬少見，這也為該領域提供了一個顯而易見的下一步實驗。

誠實的成績單：尚未優於原子鐘 #

如果你是為了一個破紀錄的精度數字而來，那麼沒有這樣的數字。兩個團隊表示，核鐘有潛力超越最好的傳統原子鐘，但目前尚未做到。換句話說，核鐘的精度還沒有超過原子鐘。

舒姆對仍需走完的路坦率直言。他說，核鐘距離目標效能還很遠，研究人員正設法完善這項技術。這裡正是需要抵制誇大的地方。一台存在並能運作的裝置，和一台勝出的裝置，是兩回事。這次的成就在於，可運作的核鐘如今有了兩台。說其中一台將超越最好的原子鐘，仍然是潛力，而不是結果。

我認為，這種呈現方式讓故事更有意思，而不是更乏味。帶著現成優勢出現的發表很容易被歸檔了事。一項說「它能運作，還沒有更好，而我們認為它可能變得更好的理由是這樣」的發表，會引出一個更有用的問題：目前的裝置和目標之間，究竟隔著什麼？

兩個團隊都看到了明確的改進途徑，舒姆提出了一條具體的途徑。

結合維也納與北京的長處 #

舒姆說，把維也納和北京的元件組合起來，可以造出明顯更好的鐘。他的完整說法是：「只要把這些元件組合在一起，我們就能造出明顯更好的鐘。」這個說法是審慎的，因為它描述的是可以造出什麼，而不是已經造出並量測過的東西。

從這些說法出發，邏輯很容易理解。維也納的晶體略好，釷濃度更高、光學性質更好。北京的雷射更強。一台透過監測高功率雷射與原子核交互作用來計時的鐘，按理會同時受益於更好的目標和更好的雷射。我把這一點標註為我對舒姆觀點的解讀，而不是額外的發現：他本人的話是，組合這些元件可能得到明顯更好的鐘，並沒有附上任何效能數字。

對於任何在新興技術領域裡打造東西的人，這裡有一個實用的教訓。不同團隊的平行開發，看起來可能像是浪費的重複。但在這裡，它產生了兩組互補的長處，以及一份現成、可造出更強第三台裝置的配方。現有證據並沒有說兩個團隊是否真的會合作打造這樣一台鐘，所以我不會這樣暗示。懸而未決的問題很簡單：這種組合能否帶來舒姆所預期的改進。

第一次檢驗：暗物質探測 #

一台只會走時的鐘，是原理驗證。一台能做物理研究的鐘，則更進一步。維也納團隊在嘗試探測暗物質時，證明了他們的鐘能夠進行精密物理實驗。

這項實驗沒有探測到暗物質。必須把這一點說清楚，因為一無所獲的暗物質探測可能被誤認為失敗。這裡重要的結果關乎儀器，而不是粒子：這台核鐘的表現達到了最好原子鐘的水準。

請仔細閱讀這一點，因為它就緊鄰著上文所說的局限。核鐘的精度還沒有超過原子鐘，但維也納的鐘在一項精密實驗中與最好的原子鐘持平。這兩種說法並不矛盾。與最好的持平並不等於勝過它，而第一台可運作的裝置就達到這個水準，是一個有意義的早期里程碑。這表示這台鐘已經夠好，可以作為科學儀器使用，而不只是作為新奇物件展示。

我還要更進一步說，這是整個故事裡最有說服力的單項證據。宣稱某樣東西有潛力，成本很低。證明第一版可運作的裝置就能在現有最好儀器的水準上進行精密實驗，成本則不低。

為什麼物理規律可能偏向原子核，以及為什麼需要謹慎 #

支持核鐘的論據建立在尺寸之上。原子核比包圍它的殼層小得多，追蹤其內部的躍遷可能比追蹤電子的躍遷達到更高的精度。這就是所陳述的機制，它帶著一個「可能」。

研究人員更廣泛的期待也遵循同樣的模式。他們認為，核鐘一旦完善，或許能比傳統原子鐘做得更好，而且可以造得不那麼笨重、不那麼脆弱。這句話裡包含兩個不同的希望：更好的效能，以及更不笨重、更不脆弱的結構。兩者都以鐘先得到完善為前提，也都帶著一個「或許」。

對於權衡技術押注的讀者來說，紀律就是讓這些限定始終掛在原處。已經證明的是：兩台可運作的鐘，以及一項在最好原子鐘水準上完成的暗物質實驗。所期待的是：更高的精度，更小、更堅固的硬體。這兩份清單之間的差距，正是團隊仍需完成的工作。

核鐘可能用在哪裡 #

舒姆說，他設想核鐘可用於衛星導航、資料傳輸同步、測繪和計量學等領域。更廣泛地說，核鐘可能有助於導航、資料同步、暗物質探測，以及檢驗基本常數是否隨空間和時間變化。

這些都是可能性，原始資料的措辭也讓它們保持為可能性：舒姆設想了它們，鐘可能對此有所幫助。沒有一項已經用核鐘示範過。清單中唯一嘗試過的應用是暗物質探測，它沒有探測到任何東西，儘管展示了鐘的效能。

不過，這個範圍仍值得留意。導航、資料傳輸和測繪是貼近基礎設施的實際用途。暗物質，以及基本常數是否隨空間和時間變化的問題，則是關於物理學本身結構的問題。同一類儀器被同時提議用於這兩方面，跨度之大並不尋常。如果要我挑一個最接近被證實的應用，那會是精密物理，因為維也納團隊已經在那裡做過實驗。

創業者與技術讀者應從中得到什麼 #

技術讀者往往想要一條工程上的教訓，而這個結果出現的方式就提供了一條清楚的教訓。

第一，獨立的殊途同歸，是比單次成功更強的訊號。兩個分別工作的團隊，用不同方法同時做出可運作的裝置，這正是那種顯示某個方向確有其實的證據。Ding 的解讀，即這個概念不依賴某一種特定的技術實作，就是其核心。

第二，局限一開始就被說明，而且是由造出裝置的人自己說明。兩個團隊表示，核鐘有潛力超越最好的傳統原子鐘，但目前尚未做到。舒姆說，他自己的鐘離目標效能還很遠。如果你在評估一項新興技術，製造者的這種坦率比光鮮的精度宣稱更有價值，因為它告訴你真正剩下的工作在哪裡。

第三，改進的途徑是具體的。維也納的晶體和北京的雷射是明確、叫得出名字的元件，舒姆的建議也同樣具體。這與「進一步開發」會有幫助之類的含糊承諾截然不同。由已辨識元件構成的路線圖，比由願景構成的路線圖更容易檢驗，失敗時也更容易被看見。

我認為，商業上的解讀也由此而來，但要附帶一個提醒。原始資料中的應用是導航、資料同步、測繪和計量學，全都只是構想。證據支持的是一項處於研究階段、改進步驟已經明確的技術，而不是一款產品。任何在此基礎上開發的人，都應該把更不笨重、更不脆弱的結構視為研究人員認為在鐘完善之後可以實現的目標，而不是已經展示過的東西。

接下來該關注什麼 #

證據提出的問題範圍很窄，而且可以檢驗。

會不會有人造出一台把維也納水準的晶體與北京強度的雷射結合起來的鐘？它能否帶來舒姆所預期的明顯更好的效能？原始資料說有這個可能。它沒有說這已經發生。

會不會有某台核鐘越過那條線，從達到最好原子鐘的水準走到超越它們？兩個團隊把這描述為潛力而非結果，而且兩者都看到了明確的改進途徑。基準很清楚：最好的傳統原子鐘運作數十億年只會快或慢一秒，所以宣稱領先的核鐘必須對照這個標準來證明。

還有，等裝置完善之後，更不笨重、更不脆弱的承諾能否兌現？這是研究人員表達的希望，而不是量測結果。

原始資料還留下了一個懸而未決的問題，也是我最想看到答案的問題。維也納的暗物質實驗一無所獲，但這台鐘在執行探測時與最好的原子鐘持平。如果一台完善的核鐘真能在此基礎上更進一步，那麼同類實驗就會成為差異最先顯現的地方。差異是否會顯現，就目前而言，是最重要的懸而未決的問題。

對各產業意味著什麼 #

可運作的釷-229核鐘出現，對精密計時的各個領域影響並不相同。營運上的因應，取決於需求是地面一級計量、自主軌道導航，還是基礎實驗室光譜學。

計量學與時間標準 #

一級時間實驗室不會在一夕之間替換鍶光晶格或銫標準。核鐘建立了一個平行的校準基準，其環境敏感度(雜散電場和磁場)與基於電子殼層的鐘有根本不同，從而首次使各國際計量機構之間能夠交叉核對系統誤差。

衛星導航與電信 #

如果固態氟化鈣晶體架構在量產中被證明不那麼笨重和脆弱，太空機構和衛星星系營運商就可以直接在軌部署光學級精度，而無需低溫冷卻或複雜的光晶格真空腔。

基礎物理與天文物理 #

由於原子核能階直接取決於強交互作用和電磁耦合常數 $\alpha$，核鐘為檢驗基本物理常數是否隨宇宙時間變化、以及探測暗物質候選者提供了新的靈敏度。

結論 #

維也納和北京在沒有協調的情況下同時推出可運作的核鐘，標誌著精密計時的一個真正轉折點。兩台裝置都沒有蓋過當今最好原子鐘的精度，但在第一代可運作裝置上就在暗物質探測中達到原子級精度，證明了固態釷-229方案是可行的。眼前的前進之路在於整合：把維也納更出色的晶體成長與北京更高功率的激發雷射結合起來。

常見問題 #

為什麼核鐘只使用釷-229這一種同位素？

大多數原子核的躍遷能量在千電子伏特(keV)或百萬電子伏特(MeV)範圍，需要同調桌上型雷射無法產生的伽瑪射線。釷-229擁有一個異常低的同質異能態，約為8.3 eV，落在現代雷射系統可以達到的真空紫外範圍內。

核鐘如今是否正在取代原子鐘？

沒有。基於銫-133和鍶光晶格的傳統原子鐘仍是全球的一級頻率標準。釷-229核鐘已在一次示範性的暗物質探測中達到原子鐘級精度，但超越原子精度仍是一個預期中的工程目標。

是什麼讓固態核鐘具有營運優勢？

把釷原子核嵌入固態氟化鈣晶體，省去了光晶格原子鐘所需的複雜雷射冷卻和超高真空囚禁腔，從而可能實現精巧得多、堅固得多的野外部署。

參考文獻 #

Thorsten Schumm et al., (2024). TU Wien 核鐘示範 ⧉. Nature.
Shiqian Ding et al., (2024). 清華大學釷-229核頻率標準 ⧉. Nature.
BIPM, (2024). 時間頻率諮詢委員會(CCTF)：秒的未來定義策略 ⧉. BIPM.

最近審閱 2026-09-15.

最近審閱 2026-10-27.

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維也納與北京的兩台核鐘，尚未超越原子鐘 — Sebastien Rousseau

維也納和北京的兩個獨立團隊讓首批以釷-229為基礎的核鐘運作起來。兩者都尚未比最好的原子鐘更精確，但都證明了這個方法可行。

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維也納與北京的兩台核鐘，尚未超越原子鐘 — Sebastien Rousseau

維也納和北京的兩個獨立團隊讓首批以釷-229為基礎的核鐘運作起來。兩者都尚未比最好的原子鐘更精確，但都證明了這個方法可行。

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SEBASTIEN ROUSSEAU FOUNDER · ENGINEER