Το ρολόι θορίου της Βιέννης τρέχει, αλλά παραπατά

Δύο ομάδες ανακοίνωσαν στις 7 Οκτωβρίου 2026, στο περιοδικό Nature, ότι κατασκεύασαν ρολόγια τα οποία παραμένουν συντονισμένα με τον πυρήνα ενός ατόμου όσο λειτουργούν (μελέτη της Βιέννης, μελέτη του Πεκίνου). Το πρωτότυπο της Βιέννης λειτούργησε για πάνω από 24 ώρες χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση (πλήρες κείμενο της μελέτης της Βιέννης, Pro-Physik). Και τα δύο ρολόγια είναι ακόμη πολύ λιγότερο σταθερά από τα καλύτερα ατομικά ρολόγια. Προσφέρουν, όμως, ένα νέο σημείο αναφοράς που θα μπορούσε να δείξει αν μεταβάλλονται οι θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής.

Σκεφτείτε μια τραγουδίστρια που κρατά μια νότα δίπλα σε ένα διαπασών. Όταν η φωνή της ξεφεύγει, το αυτί εντοπίζει την απόκλιση και διορθώνει τον τόνο. Παρόμοια λειτουργούν τα οπτικά ατομικά ρολόγια: το λέιζερ δίνει τον ρυθμό και η μετάβαση των ηλεκτρονίων ενός ατόμου ανάμεσα σε δύο ενεργειακές στάθμες λειτουργεί ως διαπασών.

Στο θόριο-229, το διαπασών βρίσκεται μέσα στον πυρήνα. Ο πυρήνας μπορεί να περάσει από τη μία κατάσταση στην άλλη όταν διεγερθεί με υπεριώδες φως, μήκους κύματος κοντά στα 148 νανόμετρα (ανακοίνωση της γερμανικής υπηρεσίας μετρολογίας). Οι δύο ομάδες ενσωμάτωσαν θόριο σε κρυστάλλους φθοριούχου ασβεστίου, ένα διαφανές υλικό που συγκρατεί τα άτομα στη θέση τους. Όταν το λέιζερ έχει ακριβώς τη σωστή συχνότητα, οι πυρήνες απορροφούν ένα μικρό μέρος του φωτός που περνά μέσα από τον κρύσταλλο.

Αυτή η ανεπαίσθητη εξασθένηση γίνεται το «αυτί» του ρολογιού. Η ηλεκτρονική διάταξη μετακινεί ελαφρά τη συχνότητα του λέιζερ πάνω και κάτω από τη σωστή τιμή, ενώ ένας ανιχνευτής μετρά σε ποια πλευρά εξασθενεί περισσότερο το φως. Έτσι ο ελεγκτής βρίσκει προς ποια κατεύθυνση πρέπει να επαναφέρει το λέιζερ στο κέντρο, όπως η τραγουδίστρια καταλαβαίνει αν τραγουδά ψηλότερα ή χαμηλότερα από τη νότα.

Το 2024 οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορεί πράγματι να διεγερθεί αυτή η πυρηνική μετάβαση (μελέτη για τη διέγερση του 2024). Το νέο βήμα, που παρουσιάσαμε την Τετάρτη (To Brief), είναι ένας βρόχος ανάδρασης που λειτουργεί συνεχώς. Όσο το ρολόι λειτουργεί, ο πυρήνας κρατά το λέιζερ συντονισμένο.

Δύο εργαστήρια, δύο τρόποι σταθεροποίησης της δέσμης

Στη Βιέννη, η σταθεροποίηση γίνεται σε δύο στάδια. Μια οπτική κοιλότητα, όπου δύο αντικριστοί καθρέφτες παγιδεύουν το φως και περιορίζουν τις γρήγορες διακυμάνσεις του, κρατά το λέιζερ σταθερό από στιγμή σε στιγμή. Στη συνέχεια, το σήμα του θορίου διορθώνει την αργή απόκλιση που η κοιλότητα δεν μπορεί να εντοπίσει μόνη της (Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης). Το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης καλλιέργησε τον κρύσταλλο, ενώ το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνικής Μετρολογίας κατασκεύασε το υπεριώδες λέιζερ μαζί με το Ινστιτούτο Μαξ Μπορν του Βερολίνου (ερευνητική ομάδα του γερμανικού ινστιτούτου).

Η ομάδα του Πεκίνου, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο Τσινγκχουά (Πανεπιστήμιο Τσινγκχουά), ανέφερε χαμηλότερο συντελεστή αστάθειας από την ομάδα της Βιέννης. Ο δείκτης αποτυπώνει πόσο μεταβάλλεται ο ρυθμός του ρολογιού σε σύντομα χρονικά διαστήματα υπολογισμού του μέσου όρου· όσο μικρότερος είναι, τόσο καλύτερα. Για το Πεκίνο ήταν 5 × 10⁻¹³ (Κέντρο Ενημέρωσης για την Επιστήμη), έναντι 3 × 10⁻¹² για τη Βιέννη (πλήρες κείμενο της μελέτης της Βιέννης).

Η ομάδα του Πεκίνου συνέκρινε επίσης δύο κρυστάλλους που είχαν καλλιεργηθεί ξεχωριστά και βρήκε ότι οι συχνότητές τους διέφεραν μόλις κατά 2,8 × 10⁻¹³ (μελέτη του Πεκίνου). Σαν δύο διαπασών κατασκευασμένα σε διαφορετικά εργαστήρια, οι κρύσταλλοι έδωσαν σχεδόν την ίδια νότα. Είναι μια πρώτη ένδειξη ότι το πυρηνικό σημείο αναφοράς μπορεί να αναπαραχθεί.

Ακόμη πολύ πίσω από τα ατομικά ρολόγια

Σε σύγκριση με τα καλύτερα ρολόγια που βασίζονται σε ηλεκτρονιακές μεταβάσεις, και τα δύο πρωτότυπα παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη αστάθεια. Το ρολόι ιόντος αλουμινίου του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ είναι τόσο σταθερό, ώστε η αστάθεια της Βιέννης είναι περίπου 8.600 φορές μεγαλύτερη και εκείνη του Πεκίνου περίπου 1.400 φορές μεγαλύτερη (Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ, μελέτη για το ρολόι ιόντος αλουμινίου).

Η ομάδα της Βιέννης αντιμετώπισε και ένα επίμονο πρόβλημα με το υλικό. Όταν άλλαζε τη διαδρομή του λέιζερ μέσα από τον κρύσταλλο, η μετρούμενη συχνότητα μεταβαλλόταν έως και κατά περίπου 1,7 κιλοχέρτζ — πολύ περισσότερο από όσο εξηγεί ο θόρυβος των μετρήσεων. Πιθανή αιτία είναι οι εσωτερικές τάσεις και οι ατέλειες του κρυστάλλου (πλήρες κείμενο της μελέτης της Βιέννης). Οι ερευνητές θα χρειαστεί να ελέγξουν αν η καλύτερη καλλιέργεια κρυστάλλων και ο ακριβέστερος έλεγχος της διαδρομής της δέσμης μπορούν να περιορίσουν αυτή τη μετατόπιση.

Γιατί, λοιπόν, να επιμείνει κανείς σε ένα ρολόι που υστερεί τόσο; Η σύγκριση δύο ρολογιών, βασισμένων σε διαφορετική φυσική, μπορεί να λειτουργήσει ως ανιχνευτής. Η ομάδα της Βιέννης συνέκρινε το ρολόι της με ένα ρολόι ιόντων υττερβίου στην Αυστριακή Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Μετρολογίας και Τοπογραφίας, το οποίο χρησίμευσε μόνο ως σημείο αναφοράς και δεν συμμετείχε στον βρόχο ανάδρασης. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η πυρηνική μετάβαση θα αντιδρούσε διαφορετικά από τις ηλεκτρονιακές μεταβάσεις, αν μεταβάλλονταν οι φυσικές σταθερές (μελέτη της Βιέννης).

Ορισμένα μοντέλα σκοτεινής ύλης προβλέπουν τέτοιου είδους μεταβολές, οι οποίες θα εμφανίζονταν ως αργές, ρυθμικές ταλαντώσεις. Η ομάδα της Βιέννης αναζήτησε τέτοιες ταλαντώσεις στη σύγκριση των ρολογιών, αλλά δεν εντόπισε σήμα πάνω από το όριο ανίχνευσης. Το αποτέλεσμα θέτει ανώτατα όρια στην ισχύ αυτών των επιδράσεων· δεν αποτελεί ανακάλυψη.

Το επίσημο δευτερόλεπτο εξακολουθεί να ορίζεται με βάση τα άτομα καισίου, και τα πρωτότυπα ρολόγια δεν αλλάζουν αυτόν τον ορισμό (Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών). Η Βιέννη έδειξε ότι ένας πυρήνας μπορεί να κρατά ένα λέιζερ συντονισμένο για μία ολόκληρη ημέρα, ενώ το Πεκίνο έδειξε ότι δύο κρύσταλλοι μπορούν να δίνουν σχεδόν την ίδια συχνότητα. Για να γίνει αυτή η τεχνολογία ακριβέστερο εργαλείο μελέτης των φυσικών νόμων, οι κρύσταλλοι και τα λέιζερ θα πρέπει να δίνουν το ίδιο αποτέλεσμα από δείγμα σε δείγμα.