我国科学家研制成功核光钟

核光钟是利用激光精确驱动一种特殊放射性同位素“钍-229”实现其原子核内部的能级跃迁，并以这一核跃迁的频率作为基准的计时装置。

我国科学家利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光以及掺钍-229氟化钙晶体，在国际上率先研制出核光钟并实现其稳定运行，将量子精密测量由电子跃迁拓展至原子核跃迁。

该成果10月7日晚在线发表于《自然》。

图为核光钟概念图。

（研究团队供图）

清华大学物理系主任、杨振宁高等研究院教授翟荟表示，核光钟有望成为新一代时间频率基准，其研制成功是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破。

“核光钟的研制成功及稳定运行意味着量子操控的能力深入到原子核尺度，为量子精密测量和量子操控开辟新的研究方向。

”

原子钟是利用原子内部的电子在特定能级间的跃迁作为频率基准，是目前世界上最准确的时间测量工具，好像“听电子的节拍”来计时。

而核光钟则是把“钟摆”放进原子核内部，利用原子核不同能级间的跃迁来计量时间，相当于“听原子核内部的节拍”来计时。

由于原子核尺度远小于原子尺度，受外界电磁环境扰动影响更小，因而核光钟有望提供比原子钟更高精度、更实用的时间频率基准。

图为核光钟实验装置核心区域。

（研究团队供图）

清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦带领研究团队，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了精确驱动钍-229原子核内部能级跃迁的核心光源难题，同时与合作团队共同研制出微量钍-229掺杂氟化钙晶体，为核光钟研制奠定了核心技术基础。

丁世谦介绍，团队现已将激光频率稳定锁定至核跃迁，实现了核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级，性能国际领先。

“目前，我们已建立从核心光源、核光钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系。

”

据悉，固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，未来有望为卫星导航、深空探测等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。

（记者魏梦佳）

测不准原理究竟是什么意思？

这个原理究竟是怎么来的呢？经常见到的一种说法是类似这样：要测量一个体系的某个性质，就需要测量仪器跟这个体系发生相互作用。

对于宏观物体，测量仪器可以做得比这个物体小得多，所以对这个物体的干扰可以忽略不计。

但对于微观体系，测量仪器的大小会跟这个体系处于同一量级，甚至比待测体系还大。

例如要确定一个电子的位置，你至少也要发一个光子过去，而一个光子就会对电子的位置产生很大的扰动，所以你无法测得精确的位置。

这种说法对不对呢？其实，这属于典型的似是而非。

测不准原理的提出者海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901 - 1976）就经常这样表述，但即使如此它也是错的。

它最糟糕的地方，就在于让读者以为测不准是由于测量仪器的限制。

那么读者立刻就会想到，改进仪器就有可能突破这种限制。

实际上，测不准是待测体系本身的性质，所以无论怎么改进仪器都不能改变它。

这话听起来很难理解，是吧？我们后边会来详细解释它。

再来看看推翻测不准原理的努力。

这个原理最常见的表述方式之一，就是一个体系的位置和动量不能同时测准。

这话听起来十分怪异，所以我见过很多人、很多书、很多文章，力图论证测不准原理是错的。

最常见的论证方式，就是设计某种测量方法，认为按照这种方法就能同时确定一个体系的位置和动量。

我可以在这里给个结论，所有这种论证都是错的。

如果你仔细去找，总是可以找到这些测量方法的某种缺点，导致它不能达到目的。

不过在这里我并不打算逐个去分析这样的例子，因为完全没有必要。

看到后边你就会明白，这就好像所有的永动机设计方案都是错的，因为永动机这个目标违反能量守恒定律，所以你不用挨个仔细看，就能知道它们是错的。

到这里为止，我们说了一堆对测不准原理的错误理解。

那么正确的理解该是什么？正确的理解包括好几层。

第一层，测不准原理其实只是个俗称，这个原理的正规名称叫作不确定性原理（uncertainty principle）或者不确定性关系（uncertainty relation）。

看到这个名字，你是不是立刻就产生一个感觉：这个原理说的是待测体系本身的性质，而不是测量仪器的问题？有这个感觉就对了。

第二层，不确定性原理谈论的对象，是物理量的不确定度。

物理量为什么会有不确定度？这话对没有听过量子力学的人来说，可能比较难以理解。

但对看过我们前面几期文章的人来说，很快就可以明白：因为量子力学中的测量结果是概率性的。

让我们回顾一下，量子力学中的测量是怎么回事。

假如一个体系可以处于|0>和|1>两个基本状态（回顾一下，|>这个符号叫作狄拉克符号，用来表示量子力学中的状态），那么根据叠加原理（superposition principle），这个体系就可以处于|0>和|1>的任意线性叠加（linear superposition），即任意的a|0> + b|1>，其中a和b是两个数，对它们唯一的限制是|a| 2 |b| 2 = 1。

然后，当我们要对这个体系做测量的时候，我们首先要选定一个基组（basis set）。

所谓基组，就是一组基本状态的集合，它们的线性叠加可以表示出这个体系允许取到的所有状态。

在这里，我们就取最简单的例子，即用|0>和|1>这个基组，对a|0> + b|1>这个状态做测量，那么结果是什么呢？ 如以前的文章所述，结果是以|a| 2 的概率得到|0>，|b| 2 的概率得到|1>。

当然，如果a = 0，就会100%即确定地得到|1>，如果b = 0，就会100%即确定地得到|0>。

但这是特殊情况，在大多数情况下，a和b都不等于0，测量结果就是概率性的，两种结果都有一定的概率出现。

这个概率性，就是量子力学的本质特征，它是无法消除的。

再来回顾一下，一个物理量在测量之前总有个确定的值等着你去测，这是经典力学的世界观，但量子力学正是告诉我们，这个世界观是错的！ 假如我们定义一个物理量X，它对|0>这个态取值为0，对|1>这个态取值为1，那么请问，对(|0> + |1>) / sqrt(2)这个叠加态，这个物理量的取值会是什么呢？你立刻就知道答案了，取值是不确定的，它会以一半的概率取到0，一半的概率取到1。

用稍微数学一点的语言说，测量结果是一个分布（distribution）。

我们可以事先预测这个分布，但无法预测单次测量的结果。

知道了这个分布，我们就可以定义X这个物理量的平均值（average value），或者叫作期望值（expectation value），往往用来表示。

在这个例子中，期望值显然就是 = 0 1/2 + 1 1/2 = 1/2 知道了期望值以后，又可以定义这个分布的方差（variance），它是这个物理量与自己的期望值的差的平方的期望值，即

我们能否前往“平行宇宙”？

今天我们就从量子角度出发，聊聊“平行宇宙” 要探讨前往平行宇宙的可能性，我们首先要理解量子世界那些反常识的法则。

在量子尺度上，粒子的行为与我们日常经验大相径庭。

它们可以同时处于多个状态的叠加，直到被观测时才“坍缩”到一个确定的状态，这便是著名的“量子叠加态”。

此外，量子纠缠现象更是让爱因斯坦都称之为“鬼魅般的超距作用”，两个或多个粒子无论相隔多远，都能瞬间影响彼此的状态。

这些奇特的量子现象，让科学家们开始思考：如果微观世界如此奇妙，那么在宏观世界，甚至宇宙尺度上，是否也存在着类似的多重可能性？这就引出了“平行宇宙”的假说。

平行宇宙的理论基础 平行宇宙理论认为，存在着无数个与我们所在的宇宙并行发展的其他宇宙。

这些宇宙可能有着不同的物理定律、历史事件甚至生物形态。

在量子多世界诠释中，每一次量子测量导致的状态坍缩，实际上都意味着宇宙的“分裂”，产生了一个新的平行宇宙，其中包含了测量后所有可能的结果。

从这个角度看，我们的每一次选择、每一次随机事件，都可能是在创造新的平行宇宙。

那么，问题来了：我们是否能够跨越这些宇宙的界限，前往其他平行宇宙？ 从目前的科学认知来看，跨越平行宇宙面临着巨大的挑战。

首先，我们尚未发现任何能够连接不同宇宙的“桥梁”或“通道”。

量子纠缠虽然展现了粒子间的神秘联系，但这种联系并不等同于宇宙间的通道。

其次，即使存在这样的通道，跨越宇宙所需的能量和技术也是我们目前无法想象的。

量子世界中的现象往往需要在极端条件下（如极低温、极强磁场）才能观测到，而跨越宇宙的壮举无疑需要更加苛刻的条件。

更重要的是，我们对于平行宇宙的了解还非常有限。

我们不知道这些宇宙是否真的存在，更不知道它们的具体性质和规则。

因此，在可预见的未来内，跨越平行宇宙可能仍然只是科幻作品中的情节。