精细结构常数决定了电磁相互作用的强度。奥地利研究人员近期证实，世界首台核钟有助于解答精细结构常数是否随时间变化这一问题。

　　来自维也纳技术大学的科学家与同事采用2024年世界首台核钟研发中应用的钍核跃迁技术。他们认为这将验证精细结构常数 —— 物理学最基础的常量之一 —— 是否真正恒定。

　　这个被称为索末菲常数或α常数的精细结构常数，是定义光与物质相互作用方式的无量纲物理常数，其值约为1/137。

　　该常数同时量化了电磁力的强度 —— 这种无形纽带既能让原子结合，也能塑造从恒星到智能手机的万物。若其发生细微变化，将意味着宇宙法则并非如人们所想的那般恒定。

　　宇宙恒定性的追踪

　　维也纳技术大学原子与亚原子物理研究所研究员托尔斯滕·舒姆博士指出，某些理论认为精细结构常数可能并非绝对恒定。相反，它可能随时间缓慢漂移，甚至呈周期性振荡。"通常我们假定这类常数具有普适性 —— 在宇宙任何时空都保持恒定，"舒姆解释道。

　　他表示，若精细结构常数被证实不稳定，将彻底重塑现代物理学体系。但要验证这一点，需要以极高精度测量该常数最微小的变化。"我们的钍原子钟首次使之成为可能，"他透露。

　　为验证该假设，研究团队转向核钟技术。与传统原子钟通过测量原子外围电子行为计时不同，核钟追踪的是原子核内部的能量跃迁。

　　研究团队使用含有钍原子的微型晶体进行实验。当钍原子核在基态与能量略高的激发态之间转换时，其形状会发生微妙变化。

　　这种变化会改变核电场分布方式。这种被称为四极变化的微小扰动，直接取决于精细结构常数。"原子核状态改变时，其形状与电场分布同步变化，"舒姆阐释道，"特别是电场的四极矩分量 —— 这是一个数字，用来描述电场的形状是更细长，像雪茄，还是更压扁，像扁豆。"

　　超越计时范畴

　　通过对钍跃迁过程的精确测量，科学家旨在揭示精细结构常数是否始终保持恒定。实验所用含钍晶体由维也纳技术大学制备，激光光谱测量则在科罗拉多州博尔德市完成。

　　"我们成功证明该方法探测精细结构常数变化的精度较以往提升三个数量级，即精度提高六千倍，"舒姆强调。

　　据团队介绍，这项研究的价值远超精密计时范畴。钍核跃迁技术将使物理学家得以探索此前无法触及的新物理领域。

　　"这表明我们发现的钍跃迁不仅能用于建造新一代高精度时钟，更为以往无法通过实验验证的新物理研究开辟了道路，"舒姆在新闻发布会上总结道。

　　该研究成果已发表于《自然·通讯》期刊。