15.11.2024 - 21:40
The Washington Post · Carolyn Y. Johnson
Era gairebé la mitjanit d’un dimecres de maig quan l’estudiant de doctorat de física Chuankun Zhang va disparar un làser especialitzat contra un petit cristall radioactiu col·locat en una cambra de buit i el va sorprendre veure com apareixia un pic alt i estret en una pantalla de l’ordinador.
“Mmm”, va escriure Zhang als seus col·legues, i hi va adjuntar una captura de pantalla. Tot just començava el primer torn d’un experiment difícil d’uns quants dies per provar de desencadenar el tic-tac d’una nova mena de rellotge ultraprecís que els físics havien somiat durant dues dècades. Aquell pic era la primera pista que ell i els seus col·legues ho havien aconseguit.
“Uau!”, va respondre de seguida Jake Higgins, un investigador postdoctoral, que encara estava despert. I, arrossegats per la passió científica, Higgins i la resta de la “colla XUV” –anomenats així perquè el seu làser fa servir llum en l’extrem ultraviolat– van anar de seguida al laboratori soterrani de JILA, un institut de recerca de la Universitat de Colorado a Boulder i de l’Institut d’Estàndards i Tecnologia dels Estats Units, per veure en directe el gran salt científic que s’hi esdevenia.
La recerca per construir un rellotge ultraprecís “nuclear” basat en el nucli dens d’un àtom radioactiu de tori que absorbeix i emet llum ha fascinat els físics d’ençà que es va proposar per primera vegada. Al gran laboratori de Colorado, on hi ha taules plenes de làsers, feixos de cables i el soroll constant de bombes i dispositius electrònics, les mesures precises de la colla XUV han representat un gran progrés cap a una idea que abans semblava elegant però impossible.
Per a la major part de gent, el temps és el flux de la vida. La gent llegeix un seguit de dígits als seus telèfons i hi actua en conseqüència: es lleva, va a treballar, engega el televisor per mirar un partit de futbol. La precisió es mesura en minuts per trobar-se amb un amic per prendre un cafè o per agafar un autobús. Rarament es pensa en segons, i encara menys en femtosegons (una quadrilionèsima de segon). De fet, poca gent reflexiona sobre què significa realment un “segon”.
Els físics, en canvi, veuen el temps de manera diferent. La capacitat de mesurar-lo amb una precisió com més va més gran ajuda a mantenir la societat sincronitzada, assegura que els mercats borsaris obrin a temps i que el GPS sigui exacte, i fins i tot permet de trobar maneres fiables de navegar pel sistema solar. Però mesurar el temps amb més precisió també ofereix una manera d’explorar alguns dels misteris més profunds de l’univers.
El temps no avança al mateix ritme a tot arreu i els rellotges ultraprecisos poden demostrar que Einstein tenia raó: la gravetat fa que el temps s’alenteixi.
Amb cronòmetres de nova generació, els físics poden provar de fer servir el temps per predir erupcions volcàniques, mesurar matèria fosca, detectar ones gravitacionals o provar si les constants fonamentals que regeixen la composició de la matèria realment canvien amb el temps.
Els avenços han estat “sorprenents”, explica Olga Kocharovskaya, física de la Universitat Texas A&M, sobre els descobriments de Boulder, publicats fa poc a la revista Nature. “L’article obre una via realista per a construir un rellotge nuclear. El somni s’ha convertit en realitat. És increïble.”
Dels rellotges de sol a un nucli que vibra
Per construir un rellotge, els científics necessiten comptar un fenomen que passi amb un ritme regular. Això pot ser la rotació de la Terra mesurada per l’ombra d’un rellotge de sol, el balanceig del pèndol d’un rellotge antic, la vibració d’un cristall de quars en un rellotge de polsera, o l’oscil·lació subtil d’un àtom.
Aquests tic-tacs no són perfectament regulars. Els rellotges de quars comercials són imprecisos de menys d’un segon el dia. Un bon rellotge atòmic de cesi pot desviar-se un segon cada cent milions d’anys.
Del 1967 ençà, el “segon” ha estat definit pels àtoms de cesi. Un segon equivalia a 9.192.631.770 oscil·lacions.
Però els científics han continuat augmentant l’aposta amb rellotges com més va més precisos. El rellotge més precís del món és ara mateix al laboratori de Boulder, dirigit pel físic Jun Ye. En compte de basar-se en les oscil·lacions del cesi, que es produeixen a la freqüència de microones, és basat en les oscil·lacions d’àtoms del metall pesant estronci, que avança unes 50.000 vegades més de pressa.
Aquest estiu, Ye i els seus col·legues van demostrar que el seu rellotge d’estronci perdria tan sols una fracció de segon en tota l’edat de l’univers –13,8 mil milions d’anys.
Tot i aquests guanys impressionants en precisió, els físics han somiat durant molt de temps amb un rellotge que es pugui definir per alguna cosa encara més fonamental: el nucli de l’àtom, que hauria de ser menys susceptible a les pertorbacions que poden afectar-ne el tic-tac.
“Continuarem millorant la mesura del temps i veurem què ens diu”, explica Ye. “Vull veure fins on podem empènyer la mesura del temps. Quin és el límit de la natura?”
A Ye, li agrada pensar en el nucli de l’àtom, el bloc de construcció bàsic de la matèria, com una sopa espessa de partícules –protons carregats positivament i neutrons sense càrrega. Quan la freqüència correcta de llum làser il·lumina un nucli, pot canviar-ne l’energia. “Veig que la sopa vibra una mica”, explica.
El pols de la “sopa” del nucli és el tic-tac del rellotge i, per mesurar-lo, els científics han de trobar la freqüència precisa de la llum làser que el desencadena.
El 2001, el físic Ekkehard Peik es va entusiasmar amb la construcció d’un rellotge nuclear basat en el pols nuclear del tori-229, un subproducte radioactiu de la desintegració de l’urani-233.
“Érem molt optimistes. Semblava un experiment senzill com aquest que duraria uns mesos més o menys”, explica Peik, ara cap del Departament de Temps i Freqüència a PTB, l’Institut de Metrologia d’Alemanya. Però no va ser tan fàcil com semblava.
Un gran inconvenient era que els científics havien de trobar la freqüència exacta de la llum. Això significava bombardar els àtoms de tori amb diferents freqüències de llum làser una vegada i una altra, com si provessin centenars de milers de claus per veure quina obria el pany. Era com cercar una agulla en un paller, diu Eric Hudson, físic de la Universitat de Califòrnia a Los Angeles.
Un altre inconvenient era que necessitaven un làser capaç de generar llum en un espectre especialitzat. La llum ultraviolada que necessitaven era absorbida per les molècules d’oxigen, de manera que havien de fer tot l’experiment en una cambra de buit.
Grans avenços i un làser molt especial
Tot va anar a poc a poc fins que, el maig del 2023, els físics del CERN –l’Organització Europea per a la Recerca Nuclear, que gestiona el laboratori de física de partícules més gran del món– van anunciar que havien aconseguit de mesurar el tic-tac esquiu del nucli del tori.
I va ser això que va donar als laboratoris especialitzats en làsers, com ara el de Ye, l’oportunitat de brillar. El làser XUV de Ye, un instrument únic basat en tecnologia guardonada amb el premi Nobel, va proporcionar aleshores una manera potent de cercar la freqüència exacta de llum que pot convertir-se el tic-tac d’un rellotge nuclear. La van trobar i van brindar amb un bon xampany.
