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

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

marzo 28, 2021 0 Por RenzoC


Todo el mundo necesita saber la hora. Desde que el inventor holandés del siglo XVII Christiaan Huygens hizo el primer reloj de péndulo, la gente ha pensado en buenas razones para medir el tiempo con mayor precisión.

Acertar en el tiempo 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 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, allanando el camino para que podamos redefinir efectivamente estas últimas 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 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 muy mejorada 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.

Crédito: Andrew Seaman

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 el diseño de este reloj en los últimos cien años, aunque lo hemos hecho mejor para hacerlo más barato y más repetible.

La gran diferencia en estos días es la forma en que revisamos, o “disciplinamos”, los relojes de cuarzo. Hasta 1955, tenías que seguir corrigiendo tu reloj comparándolo con un fenómeno astronómico muy regular, como el Sol o las lunas de Júpiter. Ahora estamos disciplinando 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 cambio 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 está alejando en frecuencia en menos de una parte en 10¹⁵, o una millonésima parte de una mil millonésima. Un segundo se define oficialmente como 9.192.631.770 inversiones de espín de electrones de cesio.

El hecho de que podamos hacer osciladores tan disciplinados con precisión hace que la frecuencia y el tiempo sean las mediciones más precisas de todas las cantidades físicas. Enviamos señales de reloj atómico a todo el mundo y en el espacio a través de GPS. Cualquiera que tenga un receptor GPS en su teléfono móvil tiene acceso a un dispositivo de medición del tiempo con una precisión asombrosa.


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Si puede medir el tiempo y la frecuencia con precisión, hay todo tipo de otras cosas que también puede medir con precisión. Por ejemplo, medir la frecuencia de inversión de espín de ciertos átomos y moléculas puede indicarle la fuerza del campo magnético que están experimentando, por lo que si puede encontrar la frecuencia con precisión, también está encontrando 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 aún podría ser la de John Harrison, suba la frecuencia.

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

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

Mejores relojes

Ahora, utilizando una nueva forma de vincular relojes con láseres ultrarrápidos, los investigadores han demostrado que se pueden colocar diferentes tipos de relojes atómicos ópticos a unas pocas millas de distancia entre sí y aun así coincidir en 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 antes con relojes diferentes o distancias largas.

Los autores del nuevo estudio compararon varios 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 dos estaban en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Más adelante.

Un diagrama que muestra tres relojes atómicos comparados a una distancia entre sí.