La duración del segundo podría redefinirse en los próximos años

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Para algunos, nunca hay tiempo que perder. Y en este caso, es de manera muy literal. La medición del tiempo se ha realizado con creciente precisión desde tiempos remotos, pero nuevas técnicas nos han permitido calcularlo con una exactitud pasmosa. Recientemente, un grupo de científicos han mejorado la técnica que hasta ahora se ha considerado la más precisa, el reloj atómico, y han creado el reloj óptico.

Hoy en día nuestra medición oficial del tiempo se lleva a cabo a través de una red internacional de unos 500 relojes atómicos. Pero nuevas investigaciones han mostrado que el tiempo podría ser medido de una manera incluso más precisa con una nueva generación de relojes ópticos.

Pero, ¿qué es el tiempo, y cuánto dura el “momento” más corto? Investigamos la respuesta a esta pregunta hace un tiempo aquí en ¡QFC!. Puedes leerla aquí.

¿Qué es un reloj atómico?

(Imagen ampliable) El reloj de fuente de cesio, NPL-CsF2, que calcula el tiempo del Reino Unido, en el Laboratorio Nacional de Física en Teddington. Imagen: Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido

Para comprender esta noticia y su relevancia, comencemos por explicar qué es el reloj atómico. Desde el año 1960 el tiempo mundial oficial se ha regido según definiciones propuestas por el Sistema Internacional de Unidades (SI, por sus siglas en francés, donde nació), que comprende definiciones para todo un sistema de medidas derivadas de 7 fundamentales, entre las que se encuentra el segundo.

Unos años más tarde, en 1967, el segundo fue definido como, atención: la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Por simplificarlo de alguna manera, un reloj atómico mide las vibraciones de un átomo de cesio como si fuera un reloj de péndulo. Solo que en vez de oscilar 60 veces por segundo, lo hace casi 9.200 millones de veces. Esto significa que son extremadamente precisos, puesto que pueden medir retardos de nanosegundos (una milmillonésima de segundo) y sin ir más lejos, ellos mismos acumulan un error de alrededor de un nanosegundo al mes.

Esto parece no ser mucho, pero si no se ajustan, estas imprecisiones son suficientes para provocar, por ejemplo, la desincronización de los sistemas de posicionamiento global (que además se ven afectados, como explicamos en ¡QFC!, por la variación del tiempo en la Tierra y en órbita; puedes leer más al respecto aquí), las mediciones ultraprecisas de las partículas del CERN, o miles de sistemas que comunicación que requieren de una sincronización minuciosa para poder comunicarse entre sí.

El reloj óptico

Para evitar la acumulación de errores, o para minimizarla lo máximo posible, los científicos continúan buscando la manera de realizar mediciones del tiempo cada vez más precisas. Es aquí donde entra en juego el reloj óptico.

Este tipo de reloj realiza mediciones similares a los relojes atómicos, pero en su caso miden átomos o iones que vibran a frecuencias unas 100.000 veces más altas que las frecuencias microondas. Esto es mucho más rápido que los relojes atómicos, y por tanto pueden realizar mediciones mucho más precisas.

Hasta ahora, la construcción de relojes ópticos no era considerada una opción viable para redefinir el segundo. Su extrema complejidad provocaba interrupciones en los dispositivos que podían durar de solamente unos minutos hasta 2 días, lo que los hacía poco fiables para la tarea.

No obstante, nuevas investigaciones publicadas en la revista científica Optica han ideado un sistema que podría funcionar sin problemas.

La idea

“Hemos demostrado que incluso con los tiempos de parada de los relojes ópticos de hoy en día, todavía se puede mejorar el cronometraje”, dijo uno de los investigadores, Christian Grebing, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania.

Para compensar los tiempos de parada de los relojes ópticos de hoy en día, los investigadores combinaron un dispositivo disponible comercialmente para los relojes atómicos llamado máser con un reloj de red óptica de estroncio. El máser no es tan preciso, pero funciona para cubrir el tiempo de inactividad de los relojes ópticos.

Obviamente, todavía existía una pequeña discrepancia entre la exactitud de los dos relojes (el máser y el óptico), pero el equipo la concilió mediante el uso de un peine de frecuencia óptica, que divide el “tic” más lento de base óptica para que coincida con el más rápido ‘tic’ de los relojes ópticos.

Esta imagen muestra la desviación del reloj óptico a lo largo del tiempo (marcado en rojo) comparado con un reloj atómico (marcado en gris). Se puede apreciar que la sombra rojiza no pasa de los 0.2 nanosegundos de margen de error (eje-y) a lo largo de los 25 días de prueba (eje-x). Imagen: Christian Grebing et al.

“Comparamos el máser en continuo funcionamiento con nuestro reloj óptico y corregimos la frecuencia de máser mientras tuviéramos datos disponibles del reloj óptico”, dijo Grebing. “Durante los tiempos de parada del reloj óptico, el máser proseguía su funcionamiento de forma estable”.

El equipo hizo funcionar el sistema de reloj durante 25 días, de las cuales el reloj óptico funcionó alrededor de la mitad del tiempo. Incluso con un tiempo de inactividad de hasta dos días, encontraron que el error de tiempo fue de menos de 0,20 nanosegundos a lo largo de los 25 días.

En otras palabras, esto significa que sólo se perderían unos 100 segundos a lo largo de la edad del universo, que son alrededor de 14.000 millones de años. Esto es unas 100 veces mejor que los relojes atómicos.

Aun así, Grebing dice que aún tardaremos alrededor de una década en verdaderamente poder redefinir el segundo según el SI, ya aún hay que investigar todos los tipos disponibles de relojes ópticos y evaluar cuál es el mejor para seguir avanzando.

“Queremos mejorar la infraestructura cronométrica en todo el mundo mediante la creación de más y mejores relojes e integrarlos en la infraestructura de mantenimiento del tiempo”, dijo Grebing. “Lo que hemos demostrado es un primer paso hacia una mejora global del mantenimiento del tiempo”.

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2017-02-13T19:31:11+00:00