Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire. Jusqu'ici, les meilleures horloges — les horloges optiques — fonctionnaient grâce aux transitions électroniques. Mais les électrons vivent à la périphérie de l'atome, comme des papillons dans le vent : toute perturbation extérieure les agite. Le noyau, lui, est un coffre-fort au sous-sol, où les interférences externes n'arrivent presque jamais.
Dans l'expérience, le rôle du balancier a été joué par le noyau de l'isotope thorium-229. Celui-ci possède une particularité rare : la transition entre deux de ses états nécessite très peu d'énergie — environ celle d'un photon ultraviolet d'une longueur d'onde de 148.4 nm. On peut « chatouiller » cette transition avec un laser, au lieu d'utiliser un rayonnement gamma dur comme pour la plupart des noyaux. Le faisceau laser traversait un minuscule cristal de fluorure de calcium contenant des inclusions de thorium, et il était légèrement atténué lorsque la fréquence du laser coïncidait avec la résonance du noyau. C'est grâce à cette atténuation — comme une ombre — que l'on déterminait le rythme précis.
La stabilité de la marche s'est révélée être de l'ordre de 2×10⁻¹² — cela signifie que l'horloge ne se tromperait que d'une seconde en plusieurs milliers d'années. Et deux cristaux différents ont montré une coïncidence de fréquence jusqu'à 10⁻¹³. En d'autres termes, le balancier nucléaire est non seulement précis, mais aussi reproductible — comme si deux artisans dans des villes différentes avaient fabriqué des horloges qui tournent à l'unisson.
Ces horloges n'ont pas besoin d'être suspendues dans une chambre à vide ni d'être protégées des champs magnétiques — elles fonctionnent dans un cristal solide à température ambiante. Cela ouvre la voie à des capteurs ultra-précis que l'on peut emporter avec soi, et à la vérification des lois fondamentales — par exemple, pour savoir si les bases mêmes de l'univers changent avec le temps. Ainsi, le balancier caché dans le coffre-fort atomique commence à mesurer non seulement les secondes, mais aussi les limites de notre connaissance de l'univers.
Les horloges nucléaires sont si insensibles à la température que leur marche ne change presque pas, même si l'on chauffe le cristal de plusieurs dizaines de degrés — contrairement aux horloges à quartz, qui s'emballent avec la chaleur.
Dans le roman de Greg Egan, « La Cité des permutants », des horloges nucléaires ultra-précises aident les personnages à synchroniser des copies quantiques de leur conscience — désormais, une telle précision devient réalité.