Due gruppi di scienziati, uno a Vienna e l’altro a Pechino, hanno costruito i primi orologi nucleari funzionanti al mondo. Al loro interno non ci sono lancette, ingranaggi e nemmeno un quadrante: ci sono cristalli contenenti torio-229, un laser e un sistema capace di mantenere costante la frequenza della luce. I risultati sono stati pubblicati il 7 ottobre 2026 in due studi sulla rivista scientifica Nature. E potrebbero essere l’inizio di una nuova generazione di strumenti per misurare il tempo.
La promessa è notevole: orologi tanto precisi da poter accumulare appena un secondo di errore nell’arco di miliardi di anni. Per ora siamo ancora lontani. I prototipi funzionano, ma gli orologi atomici più avanzati riescono tuttora a fare meglio. Insomma, il futuro della misurazione del tempo è arrivato in laboratorio e ha già trovato qualcuno che lo batte.
Come funziona un orologio nucleare?
Per capire perché questa invenzione sia importante bisogna partire dagli orologi atomici, quelli che già oggi permettono di misurare il tempo con una precisione straordinaria.
Gli orologi tradizionali contano qualcosa che si ripete regolarmente. Un vecchio pendolo, per esempio, oscilla avanti e indietro. Un orologio al quarzo sfrutta le oscillazioni di un cristallo. Gli orologi atomici utilizzano invece le proprietà degli atomi, che possono assorbire energia a frequenze ben precise.
Un atomo è formato da un nucleo centrale, composto da protoni e neutroni, circondato da elettroni. Questi ultimi possono passare da un livello energetico a un altro assorbendo o emettendo energia. Gli orologi atomici sfruttano proprio queste transizioni per avere un riferimento estremamente regolare. Gli orologi nucleari fanno qualcosa di diverso: utilizzano i cambiamenti energetici che avvengono direttamente dentro il nucleo dell’atomo, una regione oltre diecimila volte più piccola dell’atomo stesso.
La scelta potrebbe offrire un vantaggio enorme. Il nucleo è meno sensibile a molte perturbazioni esterne, come i campi elettromagnetici, che possono disturbare le misurazioni. C’è però una difficoltà: normalmente, per modificare lo stato energetico di un nucleo servono quantità di energia molto elevate. Ed è qui che entra in gioco un elemento piuttosto particolare.
Il torio-229, l’elemento che ha reso possibile l’orologio
Il protagonista dei due esperimenti è il torio-229, una particolare versione radioattiva del torio. La sua caratteristica più interessante è che possiede due stati energetici del nucleo molto vicini tra loro. Questo significa che, a differenza di quanto accade con la maggior parte degli altri nuclei atomici, è possibile provocare il passaggio da uno stato all’altro utilizzando un laser ultravioletto. I ricercatori hanno inserito nuclei di torio-229 in piccoli cristalli di fluoruro di calcio, poi li hanno illuminati con un laser regolato su una frequenza molto precisa.
Il funzionamento ricorda quello di uno strumento musicale da accordare. Quando il laser raggiunge la frequenza giusta, i nuclei assorbono energia e cambiano stato. Se la frequenza si sposta anche leggermente, l’assorbimento diminuisce. Il sistema se ne accorge e interviene per riportare il laser sulla frequenza corretta. In questo modo i nuclei di torio diventano il riferimento che permette all’orologio di mantenere un ritmo regolare.
Il gruppo della Technische Universität Wien, l’Università tecnica di Vienna, guidato dal fisico Thorsten Schumm, ha realizzato un prototipo capace di correggersi automaticamente, senza dover dipendere continuamente da un altro orologio atomico. Il dispositivo è rimasto stabile per oltre 24 ore senza interventi esterni. Un risultato importante, perché dimostra che il sistema può funzionare autonomamente.
Vienna e Pechino: due orologi nucleari, due risultati diversi
I gruppi di ricerca hanno lavorato indipendentemente e i loro risultati sono comparsi nello stesso numero di Nature. Nello studio condotto a Vienna, gli scienziati hanno dimostrato che è possibile utilizzare i nuclei di torio per correggere continuamente la frequenza del laser e costruire un orologio nucleare capace di stabilizzarsi da solo.
Il gruppo della Tsinghua University di Pechino ha invece realizzato un sistema che, nelle misurazioni a breve termine, ha raggiunto una stabilità circa sei volte superiore a quella ottenuta a Vienna. Attenzione, però: questo significa che la frequenza del dispositivo cinese oscilla meno nell’intervallo considerato, senza dimostrare che sia complessivamente sei volte più accurato.
I ricercatori cinesi hanno anche confrontato due cristalli prodotti separatamente, ottenendo risultati molto vicini. Un passaggio utile per capire se, in futuro, questi dispositivi potranno essere costruiti e riprodotti con maggiore facilità. Per ora siamo comunque davanti a prototipi sperimentali. Nessuno dei due è pronto a sostituire gli strumenti che regolano il tempo ufficiale.
Quanto sono precisi rispetto agli orologi atomici?
Secondo i dati comunicati dall’Università tecnica di Vienna, il prototipo austriaco ha raggiunto una precisione che, espressa in termini intuitivi, corrisponde a circa un secondo di errore ogni 30 milioni di anni.
Già abbastanza per chi arriva abitualmente in ritardo di venti minuti, certo. Eppure, nella ricerca sugli orologi di precisione, questo risultato non rappresenta ancora un record. Gli orologi atomici al cesio utilizzati come riferimento per la definizione del secondo possono fare meglio, mentre i più avanzati orologi atomici ottici da laboratorio raggiungono prestazioni ancora superiori.
Perché allora investire tanti anni di ricerca negli orologi nucleari? Perché il loro funzionamento potrebbe consentire di superare alcuni limiti degli strumenti attuali. I nuclei atomici sono relativamente protetti dalle interferenze esterne e, utilizzando cristalli contenenti moltissimi nuclei, i ricercatori potrebbero ottenere segnali più stabili e dispositivi più compatti.
Le prestazioni attuali dipendono anche dalla potenza dei laser, dalla qualità dei cristalli e dalla capacità di controllare le condizioni dell’esperimento. Migliorare questi elementi potrebbe aumentare notevolmente la precisione. La possibilità di arrivare a perdere appena un secondo nell’arco di miliardi di anni resta quindi un obiettivo, ancora tutto da dimostrare sperimentalmente.
Perché potrebbero aiutarci a studiare la materia oscura
La prospettiva più interessante, però, va oltre la costruzione di orologi sempre più precisi. I ricercatori sperano di utilizzare questi strumenti per studiare alcuni fenomeni fisici difficilissimi da osservare, a cominciare dalla materia oscura. Gli astronomi sanno che nell’universo esiste una grande quantità di materia che non emette luce e che non possiamo osservare direttamente. La sua presenza viene dedotta soprattutto dagli effetti gravitazionali che esercita sulle stelle, sulle galassie e su altre strutture cosmiche.
Non sappiamo ancora da quali particelle sia composta. Secondo alcune ipotesi, determinate forme di materia oscura potrebbero provocare variazioni minuscole nelle costanti fondamentali della fisica, cioè in alcune grandezze che descrivono il comportamento della materia e delle forze naturali.
Se queste variazioni esistessero, potrebbero modificare leggermente anche le frequenze utilizzate dagli orologi più sensibili. Confrontando misurazioni estremamente precise, gli scienziati potrebbero cercarne le tracce. Il gruppo di Vienna ha già utilizzato il nuovo orologio nucleare per svolgere questo tipo di ricerca. Gli esperimenti non hanno rilevato direttamente la materia oscura, ma hanno permesso di restringere alcune possibilità previste dai modelli teorici.
Il risultato è descritto nello studio pubblicato su Nature, insieme alle caratteristiche tecniche del prototipo. Gli orologi nucleari potrebbero diventare utili anche per verificare con maggiore precisione alcune leggi fondamentali della fisica e cercare eventuali fenomeni che gli strumenti attuali non riescono a individuare.
Per arrivarci serviranno laser migliori, cristalli più efficienti e ulteriori esperimenti. Intanto, dopo decenni di ricerca, due laboratori sono riusciti a far funzionare dispositivi che fino a pochi anni fa esistevano soprattutto nei progetti degli scienziati. Non hanno ancora battuto gli orologi atomici. Hanno però cominciato a misurare il tempo utilizzando una parte dell’atomo che, fino a poco tempo fa, sembrava praticamente irraggiungibile con un laser.