Por qué es tan importante para nuestras vidas la búsqueda del reloj más preciso para medir el tiempo

El tiempo es vital para el funcionamiento de nuestra vida cotidiana: desde los relojes digitales que llevamos en la muñeca hasta los sistemas GPS de nuestros teléfonos. Los sistemas de comunicación y navegación, las redes eléctricas y las transacciones financieras dependen de la precisión del tiempo. Y los segundos son las unidades vitales en la medición del tiempo.

Sorprendentemente, todavía hay debate sobre la definición del segundo, pero los avances recientes en las formas más precisas que existen de medir el tiempo pueden haber cambiado las reglas del juego.

La precisión al medir el tiempo siempre fue parte de la evolución social de la humanidad. En el monumento neolítico de Newgrange, en Irlanda, una abertura especial sobre una entrada permite que la luz del Sol ilumine el pasillo y la cámara en los días más cortos del año, alrededor del 21 de diciembre, el solsticio de invierno.

Hace unos 2300 años, Aristóteles dijo que “la revolución de la esfera más externa de los cielos” debería ser la referencia para medir el tiempo. El filósofo griego creía que el cosmos estaba organizado en esferas concéntricas, con la Tierra en el centro.

Los relojes de agua, que aparecieron alrededor del año 2000 a. C., se encuentran entre los instrumentos más antiguos para medir el tiempo. Lo hacen regulando el flujo de agua dentro o fuera de un recipiente. El reloj mecánico hizo su irrupción a fines del siglo XIII.

Hasta 1967, un segundo se definía como 1/86.400 de un día, con 24 horas en un día, 60 minutos en una hora y 60 segundos en un minuto (24 x 60 x 60 = 86.400). El Sistema Internacional de Unidades cambió las cosas y se quedó con esta definición: El segundo… se define tomando la… frecuencia de transición del átomo de cesio-133, que es 9192631770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s⁻¹.

Si estás confundido, dejame explicarte. El núcleo de esta definición es algo llamado frecuencia de transición. Una transición ocurre cuando los electrones en un átomo absorben energía y se mueven a un nivel de energía más alto, volviendo a un estado relajado después de un tiempo.

Es un poco como beber una taza de café: de repente tenés más energía, hasta que desaparece el efecto de la cafeína. La frecuencia es el número esperado de veces que ocurre una transición durante un período de tiempo específico. En cada segundo, una transición específica de un electrón de cesio-133 ocurre 9192631770 veces. Este se ha convertido en el criterio para medir el tiempo. Hasta la fecha, el cesio proporciona la definición más precisa del segundo, pero se puede mejorar utilizando frecuencias más altas.

Cuanto mayor sea la frecuencia de transición, menos puede afectar a la precisión total un error de lectura. Si hubiera cincuenta transiciones por segundo, el precio en términos de precisión de contar incorrectamente uno sería cien veces mayor que si hubiera 5000.

Hay dos limitaciones para reducir este error: los desafíos tecnológicos de medir frecuencias, especialmente las más altas, y la necesidad de encontrar un sistema (átomos de cesio-133 para el segundo) con una transición de alta frecuencia medible.

Para medir una frecuencia desconocida, los científicos toman una señal de frecuencia conocida (una referencia) y la combinan con la frecuencia que quieren medir. La diferencia entre ellas será una nueva señal con una frecuencia pequeña que es fácil de medir: la frecuencia de batimiento.

Los relojes atómicos utilizan esta técnica para medir la frecuencia de transición de los átomos con tanta precisión que se convierten en estándares para definir el segundo. Para lograr tal precisión, los científicos necesitan una señal de referencia fiable, que obtienen con algo llamado peine de frecuencia.

Un peine de frecuencias o peine espectral utiliza láseres, emitidos en pulsos intermitentes. Estos rayos contienen muchas ondas de luz diferentes, cuyas frecuencias están igualmente espaciadas, como los dientes de un peine, de ahí su nombre.

En los relojes atómicos, se utiliza un peine de frecuencia para transferir energía a millones de átomos simultáneamente, con la esperanza de que uno de los dientes del peine lata con la frecuencia de transición de un átomo.

Un peine de frecuencia cuyos dientes son numerosos, delgados y en el rango correcto de frecuencias aumenta las probabilidades de que esto suceda. Por lo tanto, son clave para lograr mediciones de alta precisión de una señal de referencia.

Como vimos, el segundo se define por las transiciones de electrones en los átomos de cesio. Las transiciones que ocurren con una frecuencia más baja son más fáciles de medir. Pero, las que ocurren con una frecuencia más alta ayudan a aumentar la precisión de la medición. Las transiciones del cesio se producen aproximadamente a la misma frecuencia del espectro electromagnético que las microondas.

Estas frecuencias de microondas son más bajas que las de la luz visible. Pero, en septiembre de 2021, los científicos realizaron mediciones utilizando el elemento estroncio, cuya frecuencia de transición es más alta que la del cesio y se encuentra dentro del rango de la luz visible.

Esto abre la posibilidad de redefinir el segundo para 2030. En septiembre de 2024, los científicos estadounidenses lograron avances clave en la construcción de un reloj nuclear, un paso más allá de un reloj atómico. A diferencia del reloj atómico, la transición medida por este nuevo dispositivo ocurre en el núcleo del átomo (de ahí el nombre), lo que le da una frecuencia aún más alta.

El átomo de torio-229, utilizado para este estudio, ofrece una transición nuclear que puede ser estimulada por la luz ultravioleta. El equipo que trabaja en el reloj nuclear superó el desafío tecnológico de construir un peine de frecuencias que funcione en el rango de frecuencia relativamente alto de la luz ultravioleta.

Este fue un gran paso adelante porque las transiciones nucleares normalmente solo se hacen visibles a frecuencias mucho más altas, como las de la radiación gamma. Pero, aún no podemos medir con precisión las transiciones en el rango gamma.

La transición del átomo de torio tiene una frecuencia aproximadamente un millón de veces mayor que la del átomo de cesio. Esto significa que, aunque se ha medido con una precisión menor que el actual reloj de estroncio de última generación, promete una nueva generación de relojes con definiciones mucho más precisas del segundo. Medir el tiempo hasta el decimonoveno decimal, como podrían hacerlo los relojes nucleares, permitiría a los científicos estudiar procesos muy rápidos.

Pensemos en dos corredores empatados en una carrera de final de fotografía. Si el cronómetro del árbitro tuviera algunos dígitos adicionales, podrían identificar al ganador.

De manera similar, la relatividad general se utiliza para estudiar procesos de alta velocidad que podrían dar lugar a solapamientos con la mecánica cuántica. Un reloj nuclear nos proporcionará la tecnología necesaria para demostrar estas teorías.

A nivel tecnológico, los sistemas de posicionamiento precisos como el GPS se basan en cálculos complejos que requieren mediciones precisas del tiempo que tarda una señal en saltar de un dispositivo a un satélite y a otro dispositivo. Una mejor definición del segundo se traducirá en un GPS mucho más preciso. Puede que se haya acabado el tiempo del segundo de cesio, pero más allá de él nos espera un mundo completamente nuevo.

*Por Vittorio Aita / investigador asociado del departamento de Física del King’s College London.