Los científicos intentan redefinir el segundo con mayor precisión.
Los relojes más precisos pueden ayudar a detectar las tensiones de la corteza terrestre y las ondas gravitacionales producidas por agujeros negros lejanos.
Ben Murdin, profesor de Fotónica y Ciencias Cuánticas, explica cómo es posible.
Todo el mundo necesita saber la hora. Desde que el inventor neerlandés del siglo XVII Christiaan Huygens creó el primer reloj de péndulo, la gente ha buscado buenas razones para medir el tiempo con mayor precisión.
Acertar con la hora es importante de muchas maneras, desde gestionar una red ferroviaria hasta realizar operaciones bursátiles en milisegundos. Hoy, la mayoría de nuestros relojes se sincronizan con una señal de relojes atómicos, como los que llevan los satélites del sistema de posicionamiento global (GPS).
Pero un estudio reciente realizado por dos equipos de científicos en Boulder, Colorado, podría hacer que esas señales fueran mucho más precisas, al abrir el camino para redefinir el segundo con mayor precisión. De hecho, los relojes atómicos podrían llegar a ser tan precisos que permitirían medir ondas gravitacionales hasta ahora imperceptibles.
Breve historia del tiempo
Los relojes modernos aún utilizan la idea básica de Huygens: un oscilador con resonancia, como un péndulo de longitud fija que siempre oscila con la misma frecuencia, o una campana que suena con un tono específico. John Harrison mejoró notablemente esta idea en el siglo XVIII al darse cuenta de que los osciladores más pequeños y de mayor frecuencia tienen resonancias más estables y puras, lo que hace que los relojes sean más fiables.
Hoy en día, la mayoría de los relojes de uso cotidiano utilizan un pequeño cristal de cuarzo con forma de diapasón musical en miniatura, de frecuencia y estabilidad muy elevadas. El diseño de estos relojes apenas ha cambiado en los últimos cien años, aunque hemos aprendido a fabricarlos más baratos y reproducibles.
La gran diferencia hoy radica en cómo verificamos —o «disciplinamos»— los relojes de cuarzo. Hasta 1955, había que corregirlos continuamente comparándolos con un fenómeno astronómico muy regular, como el Sol o las lunas de Júpiter. Ahora los disciplinamos mediante las oscilaciones naturales de los átomos.
Louis Essen construyó el primer reloj atómico. Se utilizó para redefinir el segundo en 1967, y esa definición no ha cambiado desde entonces.
Funciona contando la frecuencia de inversión del espín, una propiedad cuántica de los electrones de los átomos de cesio. Esta resonancia atómica natural es tan precisa que permite detectar si la señal de un reloj de cristal de cuarzo se desvía en frecuencia en menos de una parte en 10¹⁵, es decir, una millonésima de una milmillonésima. Oficialmente, un segundo se define como 9.192.631.770 inversiones del espín de los electrones del cesio.
La posibilidad de fabricar osciladores disciplinados con tanta precisión hace que la frecuencia y el tiempo sean las magnitudes físicas que se miden con mayor precisión. Enviamos señales de relojes atómicos por todo el mundo y al espacio mediante el GPS. Cualquier persona con un receptor GPS en su teléfono móvil puede acceder a un dispositivo de medición del tiempo extraordinariamente preciso.
Si se puede medir el tiempo y la frecuencia con precisión, también se pueden medir con precisión muchas otras cosas. Por ejemplo, medir la frecuencia de inversión del espín de ciertos átomos y moléculas permite conocer la intensidad del campo magnético al que están expuestos; por tanto, si se determina la frecuencia con precisión, también se conoce con precisión la intensidad del campo. Los sensores de campo magnético más pequeños funcionan así.
Pero ¿podemos fabricar relojes mejores que nos permitan medir la frecuencia o el tiempo con aún más precisión? La respuesta podría seguir siendo la misma que encontró John Harrison: aumentar la frecuencia.
La resonancia de la inversión del espín del cesio tiene una frecuencia correspondiente a las microondas, pero algunos átomos presentan resonancias nítidas para la luz óptica, con una frecuencia un millón de veces mayor. Los relojes atómicos ópticos han demostrado comparaciones sumamente estables entre sí, al menos cuando se coloca un par a solo unos metros de distancia.
Los científicos estudian si se podría redefinir la definición internacional del segundo para hacerla más precisa. Pero, para lograrlo, hay que poder confiar en que los distintos relojes ópticos que utilizaríamos para medir el tiempo con precisión marquen la misma hora, incluso si están en laboratorios distintos separados por miles de kilómetros. Hasta ahora, las pruebas a tan larga distancia han sido apenas mejores que las realizadas con relojes de microondas.
Relojes mejores
Ahora, con una nueva forma de conectar los relojes mediante láseres ultrarrápidos, los investigadores han demostrado que se pueden colocar distintos tipos de relojes atómicos ópticos a unos pocos kilómetros de distancia y que aun así marquen la hora con una concordancia de una parte en 10¹⁸. El resultado es tan bueno como el de mediciones anteriores realizadas con pares de relojes idénticos separados por unos cientos de metros, pero unas cien veces más preciso que lo logrado antes con relojes distintos o a grandes distancias.
Los autores del nuevo estudio compararon varios relojes basados en distintos tipos de átomos: iterbio, aluminio y estroncio. El reloj de estroncio estaba en la Universidad de Colorado, y los otros dos, en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, situado a poca distancia.
El estudio conectó los relojes con un haz láser a través del aire, a lo largo de 1,5 km entre edificios, y demostró que este enlace era tan eficaz como una fibra óptica tendida bajo la carretera, pese a las turbulencias del aire.
Pero ¿por qué necesitamos relojes tan precisos? Aunque se supone que los átomos del reloj son exactamente iguales, esté donde esté el reloj y quienquiera que lo observe, cuando las mediciones del tiempo son tan precisas pueden aparecer pequeñas diferencias útiles.
Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad distorsiona el espacio-tiempo, y podemos medir esa distorsión. Los relojes ópticos ya se han utilizado para detectar diferencias en el campo gravitatorio de la Tierra con solo desplazarlos un centímetro en altura.
Con relojes más precisos, quizá se podría detectar el aumento gradual de las tensiones de la corteza terrestre y predecir erupciones volcánicas. Se han observado ondas gravitacionales producidas por fusiones de agujeros negros lejanos; quizá ahora podamos detectar ondas mucho más débiles procedentes de sucesos menos catastróficos con un par de satélites con relojes ópticos.
