Los científicos están tratando de redefinir la forma en que medimos el tiempo. He aquí por qué

la gente ha estado pensando en buenas razones para medir el tiempo con mayor precisión.

Obtener el momento adecuado es importante de muchas maneras, desde operar un ferrocarril hasta realizar operaciones de milisegundos en el mercado de valores. Ahora, para la mayoría de nosotros, nuestros relojes se comparan con una señal de relojes atómicos, como los que se encuentran a bordo de los satélites del sistema de posicionamiento global (GPS).

Pero un estudio reciente realizado por dos equipos de científicos en Boulder, Colorado, podría significar que esas señales se volverán mucho más precisas, al allanar el camino para permitirnos redefinir la segunda con mayor precisión. Los relojes atómicos podrían llegar a ser tan precisos, de hecho, que podríamos comenzar a medir ondas de gravedad previamente imperceptibles.

Breve historia del tiempo

Los relojes modernos todavía utilizan la idea básica de Huygens de un oscilador con resonancia, como un péndulo de una longitud fija que siempre se moverá hacia adelante y hacia atrás con la misma frecuencia, o una campana que suena con un tono específico. Esta idea fue mejorada en gran medida en el siglo XVIII por John Harrison, quien se dio cuenta de que los osciladores más pequeños y de alta frecuencia tienen resonancias más estables y puras, lo que hace que los relojes sean más confiables.

Hoy en día, la mayoría de los relojes de uso diario utilizan una pequeña pieza de cristal de cuarzo en forma de diapasón musical en miniatura, con muy alta frecuencia y estabilidad. No ha cambiado mucho con este diseño de reloj en los últimos cien años, aunque hemos mejorado en hacerlos más baratos y reproducibles.

La gran diferencia en estos días es la forma en que revisamos, o “disciplinamos”, los relojes de cuarzo. Hasta 1955, era necesario seguir corrigiendo su reloj comparándolo con un fenómeno astronómico muy regular, como el Sol o las lunas de Júpiter. Ahora disciplinamos los relojes contra las oscilaciones naturales dentro de los átomos.

El reloj atómico fue construido por primera vez por Louis Essen. Se utilizó para redefinir el segundo en 1967, una definición que se ha mantenido igual desde entonces.

Funciona contando la frecuencia de inversión de una propiedad cuántica llamada espín en los electrones de los átomos de cesio. Esta resonancia atómica natural es tan nítida que puede saber si la señal de su reloj de cristal de cuarzo se desvía en frecuencia en menos de una parte en 10¹⁵, eso es una millonésima de mil millonésima. Un segundo se define oficialmente como 9.192.631.770 giros de espín de electrones de cesio.

El hecho de que podamos fabricar osciladores tan disciplinados hace que la frecuencia y el tiempo sean las cantidades físicas que se miden con mayor precisión. Enviamos señales desde relojes atómicos de todo el mundo y al espacio a través de GPS. Cualquiera que tenga un receptor GPS en su teléfono móvil tiene acceso a un dispositivo de medición de tiempo asombrosamente preciso.

Si puede medir el tiempo y la frecuencia con precisión, entonces hay todo tipo de otras cosas que también puede medir con precisión. Por ejemplo, medir la frecuencia de giro de espín de ciertos átomos y moléculas puede decirle la fuerza del campo magnético que experimentan, por lo que si puede encontrar la frecuencia con precisión, también habrá encontrado la fuerza del campo con precisión. Los sensores de campo magnético más pequeños posibles funcionan de esta manera.

Pero, ¿podemos hacer mejores relojes que nos permitan medir la frecuencia o el tiempo con mayor precisión? La respuesta podría seguir siendo la que encontró John Harrison, aumentar la frecuencia.

La resonancia de giro de cesio tiene una frecuencia correspondiente a las microondas, pero algunos átomos tienen buenas resonancias nítidas para la luz óptica, un millón de veces más alta en frecuencia. Los relojes atómicos ópticos han mostrado comparaciones extremadamente estables entre sí, al menos cuando un par de ellos se colocan a solo unos metros de distancia.

Los científicos están pensando en si la definición internacional del segundo podría redefinirse para hacerla más precisa. Pero para lograr esto, los diferentes relojes ópticos que usaríamos para medir la hora con precisión deben ser confiables para leer la misma hora incluso si están en laboratorios diferentes separados por miles de millas. Hasta ahora, estas pruebas de larga distancia no han sido mucho mejores que las de los relojes de microondas.

Mejores relojes

Ahora, utilizando una nueva forma de vincular los relojes con láseres ultrarrápidos, los investigadores han demostrado que se pueden colocar diferentes tipos de relojes atómicos ópticos a unos pocos kilómetros de distancia y aun así estar de acuerdo dentro de 1 parte en 10¹⁸. Esto es tan bueno como las mediciones anteriores con pares de relojes idénticos a unos cientos de metros de distancia, pero unas cien veces más precisas que las logradas antes con diferentes relojes o grandes distancias.

Los autores del nuevo estudio compararon múltiples relojes basados ​​en diferentes tipos de átomos: iterbio, aluminio y estroncio en su caso. El reloj de estroncio estaba ubicado en la Universidad de Colorado y los otros.

El estudio conectó los relojes con un rayo láser a través del aire a más de 1,5 km de un edificio a otro, y se demostró que este enlace era tan bueno como una fibra óptica debajo de la carretera, a pesar de las turbulencias del aire.

Pero, ¿por qué necesitamos relojes tan precisos? Aunque se supone que los átomos en el reloj son exactamente los mismos dondequiera que esté el reloj y quienquiera que lo mire, pueden aparecer pequeñas diferencias útiles cuando las medidas del tiempo son tan precisas.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad distorsiona el espacio-tiempo y podemos medir esta distorsión. Ya se han utilizado relojes ópticos para detectar la diferencia en el campo gravitacional de la Tierra moviéndose solo un centímetro de altura.

Con relojes más precisos, tal vez pueda sentir el aumento de tensión de la corteza terrestre y predecir erupciones volcánicas. Se han visto ondas gravitacionales producidas por fusiones de agujeros negros distantes; tal vez ahora podamos detectar ondas mucho más débiles de eventos menos cataclísmicos utilizando un par de satélites con relojes ópticos.