Por qué es hora de redefinir qué es un segundo (y qué misterios del universo nos ayudaría a revelar)

¿Tienes un minuto para hablar del segundo? La medida fundamental del tiempo, de la cual dependen la mayoría de las demás magnitudes en nuestro sistema de medidas, no varió desde hace más de 70 años. El avance de la tecnología, sin embargo, indica que es el momento de actualizar la definición de qué es un segundo, para hacerla más precisa.

Así lo consideran los investigadores de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, por su siglas en francés), ubicada en París, Francia. Este organismo es el encargado de establecer los estándares en los sistemas de unidades medidas a nivel mundial.

Los metrólogos del BIPM, junto a expertos en varios países, se preparan cambiar la forma en la que miden un segundo. Es una operación bastante delicada, cuyo resultado puede ser clave para cambiar la forma en la que entendemos el universo.

¿Qué es un segundo?

El segundo es la unidad base para la medida del tiempo en el sistema internacional de medidas. De hecho, otras unidades base como el metro (longitud), el kilo (masa), el amperio (corriente) y el kelvin (temperatura) se definen en términos del segundo. Así, por ejemplo, el BIPM define al metro como “el trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un tiempo de 1/299.792.458 de segundo”.

Durante milenios, la humanidad se valió de la astronomía para definir sus unidades de tiempo. Pero desde 1967 la definición del segundo se traza a partir de la observación de los átomos. Eso se debe a que los átomos se comportan de manera más precisa que la rotación de la Tierra, que no es perfectamente uniforme.

Los científicos observaron que durante millones de años la Tierra fue rotando más lento, haciendo que, en promedio, los días se alarguen 1,8 milisegundos cada siglo. Así, por ejemplo, hace 600 millones de años, un día duraba apenas 21 horas. Y para colmo, en 2020 varios estudios mostraron que durante los últimos 50 años el planeta había comenzado a girar más rápido.

Entonces, aunque sea imperceptible, el “segundo astronómico” no es siempre igual. Las partículas atómicas, en cambio, se mueven de manera más precisa y predecible.

El segundo atómico

Fue así que desde 1967 el segundo comenzó a definirse con base en la oscilación de las partículas de los átomos de cesio 133 al ser expuestas a un tipo especial de microondas. Al dispositivo encargado de hacer esta medición se le conoce como reloj atómico. Bajo estas microondas, los átomos de cesio 133 se comportan como un péndulo que “oscila” 9.192.631.770 cada segundo.

En ese momento, el segundo que se tomó como referencia para contar las oscilaciones estaba basado en la duración de un día del año 1957, que se había determinado a partir del comportamiento de la Tierra, la Luna y las estrellas. De esa manera, el BIPM estableció que la medida oficial del segundo se definiría a partir de la cantidad de oscilaciones de las partículas átomos de cesio 133.

Así, en palabras sencillas, hoy el segundo se define como el tiempo que le toma al cesio oscilar 9.192.631.770 veces.

El nuevo segundo

Pero esa definición parece tener sus días contados. Desde hace cerca de una década existen los relojes ópticos atómicos, que tienen la capacidad de observar el “tic tac” de átomos que oscilan mucho más rápido que el cesio. Algunos cuentan los tic tac del iterbio, el estroncio, el mercurio, o el aluminio, por ejemplo.

Es como si al reloj atómico se le pusiera un lupa con la cual logra detectar más oscilaciones, con lo cual puede definir el segundo con mayor precisión. Además, hoy existen decenas de estos relojes ópticos en varios países, con lo cual se espera, como ya lo mostraron algunos experimentos, que se puedan comparar las mediciones que hacen entre ellos, a manera de comprobación de los resultados.

El BIPM planea usar los relojes ópticos atómicos para medir el segundo, pero aún trabajan en los criterios para hacer esa medición. Según Petit, lo más importante es comprobar la precisión que prometen los relojes ópticos. Hasta el momento, las mejores comparaciones de relojes ópticos fueron entre relojes en un mismo laboratorio.

El reto, dice Petit, es comparar varios relojes de distintos laboratorios. Además, hay que elegir el elemento de la tabla periódica cuyo átomo será utilizado como referencia en reemplazo del cesio. Además, los relojes ópticos atómicos son dispositivos tremendamente complejos, muchos de ellos requiere todo un laboratorio para su operación.

Algunos desafíos que enfrentan estos aparatos son, por ejemplo, emitir el tipo de luz láser exactamente precisa para hacer que los átomos oscilen de manera correcta; o tener pulsos de láser ultra veloces con intervalos mínimos, para que no se les escapen las oscilaciones que deben contar, según explica al portal Live Science el investigador Jeffrey Sherman, de la División de Tiempo y Frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos.

Si todo sale según los planes, en junio comenzará a definirse los criterios y el nuevo segundo debe comenzar a estar vigente a partir de 2030, según le dice a BBC Mundo Gèrard Petit, investigador del equipo de Tiempo del BIPM. “Son operaciones y comparaciones complejas”, dice.

Revelando misterios

¿Qué va pasar cuando cambie la definición del segundo? “Nada”, dice Petit riendo. La principal razón para actualizar el segundo es mantener las cosas en orden. La estructura de medidas del mundo depende del segundo.

“Durante un tiempo es posible vivir con una definición que no sea la más precisa, pero después de un tiempo se vuelve ininteligible”, dice Petit. “En la práctica, en la vida diaria, puede que no cambie nada, pero en la ciencia si es necesaria una definición que esté basada en la mejor medición posible”. Además, medir el tiempo de manera ultraprecisa puede ayudarnos a entender fenómenos hasta ahora incomprendidos.

El NIST explica, por ejemplo, que los relojes ópticos ya se utilizaron para medir la distorsión del espacio-tiempo que describe la teoría de la relatividad de Einstein. Los relojes ópticos son tan precisos que pueden mostrar una diferencia entre dos relojes que difieren en la elevación por tan solo un centímetro.

Eso se debe a que debido a la gravedad, el tiempo corre más lento a nivel del mar que a grandes alturas como el monte Everest, por ejemplo. Estos relojes ultraprecisos también podrían servir para detectar la enigmática materia oscura, un componente del que está hecho el 25% del universo pero del que poco se sabe.

Con esta tecnología, los científicos podrían detectar ese “algo” que influye sobre la materia ordinaria y el espacio-tiempo. Y también podrían dar pistas sobre las ondas gravitacionales primordiales, que son ecos del Big Bang que deforman el espacio-tiempo, como una piedra que se lanza sobre un lago.

Los relojes atómicos podrían ser capaces de detectar esas deformaciones y darnos más pistas sobre el inicio de nuestro universo.

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