Primele ceasuri nucleare au început să funcționeze. De ce ar putea măsura timpul mai precis decât ceasurile atomice

Adaugă-ne ca sursă preferată

Urmărește-ne in Discover

Două echipe independente au construit primele ceasuri care folosesc nucleul unui atom pentru măsurarea timpului. Tehnologia bazată pe toriu-229 nu depășește încă cele mai bune ceasuri atomice, dar ar putea deveni mai precisă, mai compactă și mai rezistentă la perturbările exterioare.

Două echipe independente, una coordonată de cercetători din Viena și alta din Beijing, au prezentat primele ceasuri nucleare funcționale. Rezultatele au fost publicate la 7 octombrie 2026, în două studii separate din revista Nature.

Dispozitivele nu funcționează cu ajutorul fisiunii sau fuziunii nucleare și nu seamănă cu un reactor în miniatură. Denumirea provine de la partea atomului folosită ca reper pentru măsurarea timpului: nucleul.

Cele două prototipuri folosesc toriu-229 încorporat în cristale de fluorură de calciu. Cercetătorii au demonstrat că un laser poate fi reglat și menținut pe frecvența unei tranziții energetice produse în nucleele acestui izotop.

Cum măsoară timpul un ceas atomic?

Ceasurile obișnuite folosesc mișcarea unui pendul, vibrațiile unui cristal de cuarț sau alte procese periodice. Ceasurile atomice au drept reper o frecvență naturală a atomilor.

Electronii care înconjoară nucleul pot trece între niveluri energetice bine definite atunci când absorb sau emit energie. Radiația electromagnetică necesară producerii acestor tranziții are o frecvență extrem de stabilă, care poate fi folosită asemenea bătăilor regulate ale unui pendul.

Secunda din Sistemul Internațional de Unități este definită cu ajutorul atomului de cesiu-133. O secundă corespunde unui număr exact de 9.192.631.770 de perioade ale radiației asociate unei anumite tranziții energetice.

Ceasurile optice moderne folosesc frecvențe mult mai înalte și atomi precum stronțiul ori iterbiul. Cele mai performante pot funcționa miliarde de ani fără să acumuleze o abatere de o secundă.

Ce schimbă ceasul nuclear?

Într-un ceas nuclear, reperul nu mai este o tranziție a electronilor, ci trecerea nucleului între două stări energetice. Aceasta presupune schimbarea configurației protonilor și neutronilor din interiorul său.

Nucleul este mult mai mic decât întregul atom și este parțial protejat de electronii care îl înconjoară. Din acest motiv, tranziția nucleară ar putea fi mai puțin influențată de câmpurile electrice, câmpurile magnetice, temperatură și alte perturbații exterioare.

Majoritatea tranzițiilor nucleare necesită raze X sau gamma, dificil de controlat cu precizia cerută de un ceas. Toriul-229 reprezintă o excepție: prima sa stare nucleară excitată are o energie neobișnuit de scăzută și poate fi atinsă cu un laser ultraviolet special, cu lungimea de undă de aproximativ 148 de nanometri.

Cum au făcut cercetătorii ceasul să „ticăie”?

În ambele experimente, nucleele de toriu-229 au fost introduse în cristale de fluorură de calciu. Un laser ultraviolet a fost îndreptat asupra cristalelor și reglat până când lumina a produs tranziția nucleară urmărită.

Frecvența unui laser se poate modifica ușor în timp. Pentru ca dispozitivul să funcționeze ca un ceas, cercetătorii au folosit semnalul produs de nucleele de toriu pentru a detecta aceste abateri și a corecta permanent laserul.

Astfel, tranziția nucleară a devenit un reper care controlează frecvența laserului. Acesta este pasul care diferențiază un ceas funcțional de un experiment care măsoară doar o tranziție nucleară.

Faptul că două echipe au ajuns aproape simultan la rezultate asemănătoare, prin metode parțial diferite, arată că principiul poate fi reprodus. Echipa europeană a folosit cristale cu proprietăți optice mai bune, iar cercetătorii chinezi au realizat o sursă laser mai puternică.

Sunt ceasurile nucleare mai precise?

Nu încă. Prototipurile prezentate în Nature sunt mai puțin stabile decât cele mai performante ceasuri atomice optice. Cercetătorii consideră însă că îmbunătățirea cristalelor, a laserelor și a sistemelor de citire ar putea crește considerabil performanța.

Folosirea unui cristal permite includerea unui număr foarte mare de nuclee într-un spațiu redus. În viitor, asemenea dispozitive ar putea fi mai compacte și mai rezistente decât ceasurile atomice care necesită camere cu vid, răcirea atomilor și instalații complexe.

La ce ar putea fi folosite?

O măsurare mai precisă a timpului ar îmbunătăți sistemele de navigație prin satelit, sincronizarea rețelelor de comunicații și măsurătorile geodezice.

Ceasurile pot fi folosite și ca senzori pentru gravitație. Potrivit relativității generale, timpul trece puțin diferit în funcție de intensitatea câmpului gravitațional. Un ceas suficient de sensibil ar putea detecta diferențe foarte mici de altitudine sau schimbări produse sub suprafața Pământului.

Ceasul realizat la Viena a fost utilizat și într-un experiment destinat căutării materiei întunecate. Cercetătorii nu au detectat materia întunecată, dar au demonstrat că dispozitivul poate fi folosit pentru testarea unor întrebări fundamentale din fizică.

Știați că?

Ceasurile nucleare nu produc energie nucleară. Toriul-229 este folosit deoarece nucleul său are o tranziție energetică accesibilă cu tehnologia laser actuală.

Ideea construirii unui ceas nuclear bazat pe toriu-229 a fost formulată în 2003. Au fost necesare peste două decenii pentru transformarea principiului într-un dispozitiv funcțional.

Ceasurile atomice sunt esențiale pentru funcționarea GPS-ului. Chiar și o diferență de numai câteva miliardimi de secundă între ceasurile sateliților poate determina calcularea greșită a poziției unui dispozitiv cu câțiva metri.

Surse

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11084-4

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11122-1

https://physics.aps.org/articles/v19/139

https://www.reuters.com/science/scientists-vienna-beijing-create-worlds-first-nuclear-clocks-2026-10-07/

Vă recomandăm să citiți și:

Vânturile generate de găurile negre sunt de 100 de ori mai puternice decât se credea

Norii galbeni ai planetei Venus ar putea ascunde ceva surprinzător de întunecat

Cum funcționează Universul? Fizicienii nu reușesc să ajungă la un acord!

Fizicienii s-au înșelat? O teorie veche de un secol tocmai a fost infirmată!