L'orologio che sbaglia un secondo ogni 30 milioni di anni

Diciamocelo: il nostro rapporto con il tempo è disastroso. Arriviamo in ritardo, mettiamo la sveglia «ancora cinque minuti» per quaranta minuti, e il forno di casa da tre anni segna un'ora sbagliata perché nessuno ha voglia di capire quale pulsante tenere premuto. Nel frattempo, a Vienna, un gruppo di fisici ha costruito un orologio che sbaglia di circa un secondo ogni 30 milioni di anni. E la cosa più divertente? Per loro è ancora troppo impreciso.

Mercoledì 7 ottobre la rivista Nature ha pubblicato, nello stesso numero, due articoli separati: uno della TU Wien (l'Università tecnica di Vienna) insieme all'istituto metrologico tedesco PTB di Braunschweig, l'altro dell'Università Tsinghua di Pechino. Entrambi annunciano la stessa cosa: i primi orologi nucleari funzionanti al mondo. Un'idea che i fisici inseguono da quasi mezzo secolo, arrivata al traguardo in due laboratori diversi praticamente in contemporanea. Tipo quando due compagni di classe consegnano lo stesso tema e giurano di non essersi copiati.

Calma, «nucleare» non vuol dire Chernobyl

Prima che qualcuno nei commenti tiri fuori le pastiglie di iodio: qui non c'è fissione né fusione. Niente reattori, niente funghi atomici. La parola «nucleare» si riferisce semplicemente al fatto che a scandire il tempo è il nucleo dell'atomo, non gli elettroni che gli girano intorno.

Funziona così. Ogni orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli in modo regolare: nel pendolo della nonna è un peso che dondola, negli orologi atomici (quelli che oggi reggono GPS, telecomunicazioni e la definizione stessa del secondo) è la luce di un laser agganciata al salto di un elettrone tra due livelli di energia. L'orologio nucleare scende di un piano: a cambiare stato è il nucleo.

Il problema è che i nuclei normalmente se ne fregano del laser: servirebbero energie enormi per smuoverli. Tutti tranne uno. Il torio-229, un isotopo radioattivo raro, ha due stati di energia così vicini che basta una luce ultravioletta a 148,4 nanometri per farlo «saltare». È l'unico nucleo conosciuto con questo superpotere. Per questo i fisici lo inseguono da decenni.

Il trucco: l'orologio che si corregge da solo

A dire il vero il gruppo di Thorsten Schumm (che ci lavora dal 2008, cioè da quando l'iPhone non aveva ancora l'App Store) aveva già fatto notizia nell'aprile 2024, quando insieme al team di Ekkehard Peik era riuscito per la prima volta a eccitare con un laser il nucleo del torio. In autunno, lo stesso anno, l'apparato era stato collegato a un orologio atomico tradizionale, usando il torio come metronomo.

Ma non era ancora un vero orologio nucleare: si appoggiava a un altro orologio. Quello nuovo invece è autostabilizzante. «L'idea di base è semplice: hai un laser e hai il torio», spiega Schumm. Il cuore del sistema è un cristallo di fluoruro di calcio con dentro atomi di torio, prodotto a Vienna. Il laser lo illumina; i nuclei assorbono la luce solo se la frequenza è esattamente quella giusta. Se il laser sgarra anche di pochissimo (per esempio per una variazione di temperatura), l'assorbimento cala, il sistema se ne accorge e corregge da solo la frequenza. Un orologio con l'ansia da prestazione incorporata, insomma.

Risultato: è rimasto stabile per più di 24 ore senza nessun intervento, confrontato con un orologio atomico a ioni di itterbio collegato con una decina di chilometri di fibra ottica. Precisione misurata: circa 10^-15, cioè quel famoso secondo ogni 30 milioni di anni. Che, attenzione, è un'estrapolazione: nessuno ha aspettato 30 milioni di anni per controllare. Ancora.

Plot twist: la Cina fa meglio (di sei volte)

E qui arriva la parte che a Vienna avranno digerito con un caffè amaro. Secondo quanto riportato da AGI e dal South China Morning Post, l'orologio del gruppo di Ding Shiqian alla Tsinghua è risultato circa sei volte più stabile di quello viennese. Con un cristallo più piccolo di un chicco di riso, contenente circa un milione di miliardi di nuclei di torio: duecento volte meno di quello usato a Vienna.

La ricetta cinese? Meno torio e un laser più potente, che ricava la luce ultravioletta da vapori di cadmio scaldati a circa 600 gradi. Non solo: due cristalli cresciuti separatamente hanno dato lo stesso identico «battito», segno che questi orologi si possono replicare. Schumm già a giugno aveva parlato di una «competizione globale agguerrita ma amichevole». Che è il modo elegante con cui i fisici dicono «ci stanno col fiato sul collo».

Ok, ma a me cosa cambia?

Domanda legittima, visto che il tuo problema è arrivare puntuale all'esame, non sbagliare di un secondo nel Pleistocene. Intanto, chiariamo: nessuno dei due orologi batte ancora i campioni in carica. Il miglior orologio atomico ottico, secondo lo studio viennese, perde circa un secondo ogni 55 miliardi di anni. «Non siamo ancora al livello dei migliori orologi atomici, ma per un primo prototipo è un risultato fantastico», ammette Schumm. Il piano è migliorare con laser più potenti e cristalli migliori.

Il punto però non è il record di oggi. Il nucleo è più di diecimila volte più piccolo dell'atomo e schermato dagli elettroni, quindi molto meno sensibile ai disturbi esterni. E un orologio nucleare a stato solido (un cristallo, non atomi intrappolati e raffreddati in laboratorio) potrebbe diventare molto più compatto e robusto. Tradotto: precisione da laboratorio dentro satelliti, reti di comunicazione, sistemi di navigazione nello spazio profondo, o strumenti portatili per mappare le variazioni di gravità sotto terra.

E poi c'è il motivo che fa brillare gli occhi ai fisici. L'energia della transizione del torio nasce da un equilibrio delicatissimo tra le forze che tengono insieme il nucleo, quindi dovrebbe reagire in modo amplificato a variazioni minuscole delle costanti fondamentali della natura. Confrontando nel tempo orologi nucleari e atomici si potrebbe scoprire se quelle costanti sono davvero costanti. Il team di Vienna ha già usato il suo orologio per cercare tracce di materia oscura ultraleggera: nessun segnale, ma una sensibilità all'altezza dei migliori orologi atomici. Se vi piacciono gli esperimenti assurdi per stanare l'invisibile, ricordate il Nobel per il cubo di ghiaccio al Polo Sud: stessa famiglia di follia, scala diversa.

Il collo di bottiglia: 40 grammi in tutto il pianeta

C'è un piccolo dettaglio che frena l'entusiasmo. Il torio-229 è rarissimo: la disponibilità mondiale è stimata intorno ai 40 grammi. Meno di una tavoletta di cioccolato, per tutta la Terra. Questo limita parecchio il numero di laboratori che possono anche solo provarci, ed è forse il motivo per cui il trucco cinese di usarne duecento volte meno vale quanto la stabilità in sé.

Eppure la velocità è impressionante: nel 2024 si riusciva a malapena a «toccare» il nucleo del torio con un laser. Due anni e mezzo dopo, quello stesso nucleo scandisce il tempo. Noi, nello stesso arco di tempo, non siamo riusciti a sistemare l'ora del forno. Priorità.

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Fonti:

• TU Wien – The First Stand-Alone Nuclear Clock is Ticking in Vienna
• AGI – Primi orologi nucleari al mondo: cosa sono e perché contano
• ScienceDaily – Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete
• Interesting Engineering – New thorium-based nuclear clock operates continuously for 24 hours
• South China Morning Post – China's thorium-229 nuclear clock beats Vienna's on stability