Cómo funcionan los relojes atómicos y por qué sin ellos el mundo se hundiría en el caos

Estoy mirando una señal de advertencia dentro de un laboratorio en Londres: “No toques el máser”, dice. Está unida a una caja negra grande, sobre ruedas, montada en una carcasa protectora de acero. Resulta que es una caja bastante importante, y el letrero está ahí por una razón. No es algo peligroso, pero si tuviera que manipular el dispositivo, podría interrumpir el conteo del tiempo.

Este es uno de los pocos dispositivos de su tipo que se encuentran en el Laboratorio Nacional de Física (NPL, en inglés) en el suroeste de Londres, que ayuda a garantizar que el mundo tenga un conteo preciso de segundos, minutos y horas.

Se llaman máseres de hidrógeno y son relojes atómicos extremadamente importantes. Junto con otros 400, ubicados en todo el mundo, ayudan al planeta a definir qué hora es con una precisión de nanosegundos.

Sin estos relojes, y las personas, la tecnología y los procedimientos que los rodean, el mundo moderno se hundiría lentamente en el caos. Para muchas industrias y tecnologías de las que dependemos, desde la navegación por satélite hasta los teléfonos móviles, el tiempo es un suministro.

Pero ¿cómo llegamos a este sistema compartido de cronometraje en primer lugar? ¿Cómo se mantiene preciso y cómo podría evolucionar en el futuro?

Las respuestas implican mirar más allá del reloj para explorar qué hora es en realidad. El tiempo es más una construcción humana de lo que parece a primera vista.

Un conteo moderno

No siempre fue el caso que todos en el mundo mantuvieran la misma hora. Durante siglos, fue imposible, y el tiempo solo podía ser definido localmente por el reloj más cercano.

En un lugar era mediodía, pero en las cercanías eran las 12:15. Tan recientemente como en la década de 1800, EE.UU. operaba con cientos de estándares de tiempo diferentes, definidos por las ciudades y los administradores de ferrocarriles locales.

Parte de la razón era que no había una forma factible de sincronizar todos los relojes de un país, y mucho menos de todo el mundo.

Durante gran parte de la historia humana, esto no importó: las personas trabajaban cuando lo necesitaban, no viajaban muy lejos y, si querían saber la hora, podían averiguarlo consultando un reloj de sol cercano o uno de la ciudad, o escuchando las campanadas de la iglesia.

Sin embargo, a medida que despegaba la era industrial, quedó claro que las cosas tenían que cambiar. En algunos casos, resultó en algo mortal. Por ejemplo, en Nueva Inglaterra (EE.UU.) a mediados del siglo XIX, dos trenes chocaron de frente, matando a 14 personas, porque uno de los conductores estaba usando un “feo reloj prestado” que no estaba sincronizado con el de su colega.

Para operar de manera efectiva, las economías en crecimiento necesitaban un mejor sentido compartido de la hora precisa: para que las fábricas pudieran emplear trabajadores en las mismas horas, los trenes pudieran salir y llegar a una hora convenida, o que los banqueros pudieran marcar la hora de las transacciones financieras.

Como señaló una vez el historiador Lewis Mumford, fue el reloj, no la máquina de vapor, lo más importante de la Revolución Industrial.

Las máquinas de vapor impulsaron las fábricas y el transporte, pero no pudieron sincronizar a a las personas y sus actividades.

Durante un tiempo, el principal intermediario de este nuevo tiempo compartido fue el observatorio de Greenwich, en Londres. Los relojes mecánicos avanzados que se había allí mostraban la hora “verdadera”: la hora del meridiano de Greenwich (GMT).

En 1833, los cronometradores agregaron una pelota a un mástil en el observatorio de Greenwich. Caería a las 13:00 todos los días, para que los comerciantes, las fábricas y los bancos pudieran reajustar los relojes que lo necesitaran.

Unos años más tarde, la hora GMT se distribuyó por telegrama por todo el país como la “hora ferroviaria”, lo que aseguró que toda la red de trenes de Reino Unido estuviera sincronizada. En la década de 1880, la señal horaria de Greenwich se envió a través del Atlántico por un cable submarino hasta Harvard, Massachusetts.

Y en la Conferencia Internacional de Meridianos en Washington DC, más de 25 países decidieron que la GMT debería convertirse en el estándar de tiempo internacional.

Pip Pip

A principios del siglo XX, la BBC comenzó a tener un rol ayudando a difundir el tiempo preciso. Cuando la corporación comenzó a transmitir radio en todo el mundo, incluyó una serie de “pips” en la hora, que en ese momento se generaban en Greenwich. Hoy los genera la BBC y son seis en total, con la hora marcada por el inicio del pip final, que es más largo. Otros países también los tienen: en Finlandia, se los conoce como el “pipit”, por ejemplo. Sin embargo, lamentablemente, la radio digital ha disminuido su precisión, porque la conversión de la señal agrega un ligero retraso.

A medida que pasaron las décadas, se hizo evidente que se requería una mejor forma de sincronizar el tiempo.

Para brindar una hora precisa, todos los relojes requieren un proceso periódico y repetitivo, ya sea un péndulo oscilante o las oscilaciones electrónicas de un cristal de cuarzo.

Los relojes de Greenwich se calibraron usando el tiempo que le tomaba al Sol alcanzar la misma posición en el cielo después de un día. Por lo tanto, su péndulo era la Tierra misma, girando a un ritmo aparentemente predecible. (Esto también se aplica al Tiempo Universal, que reemplazó a la GMT en 1928).

Sin embargo, en el siglo XX, los científicos se dieron cuenta de que la rotación de nuestro planeta se acelera y se ralentiza a lo largo de los años, debido a los efectos gravitatorios de la Luna, el Sol y otros planetas, los cambios geológicos dentro del núcleo y el manto terrestres, e incluso los cambios oceánicos y climáticos.

En 1900, giraba casi 4 milisegundos más lentamente, en promedio, que a principios del presente siglo. Entonces, mientras que los mejores cronometradores del mundo podían presumir una mayor precisión que el reloj promedio, ellos mismos estaban equivocados acerca de la hora “verdadera”.

Reloj atómico

Alrededor del mismo período, los físicos cuánticos sugirieron que los átomos podrían funcionar mucho mejor para medir el tiempo que la rotación de la Tierra. Al aplicar una frecuencia específica de radiación electromagnética a un átomo, sus niveles de energía cambian.

Se puede utilizar un contador electrónico para realizar un seguimiento de estas transiciones. Como un péndulo oscilante, esto constituye un proceso periódico estable sobre el cual se calcula una escala de tiempo. Esa es la base del “reloj atómico”.

Son tan precisos que si basáramos completamente nuestro mundo en ellos, eventualmente el tiempo se apartaría de la noche y el día, de modo que el Sol saldría a las 18 en la noche. Es por eso que los cronometradores del mundo agregan segundos bisiestos de vez en cuando.

Los máseres de hidrógeno en Londres son algunos de los relojes atómicos más importantes del mundo. Hay varios cientos más en todo el mundo, operados por institutos nacionales de metrología, y son los nuevos árbitros del tiempo para todos nosotros.

Pero no es tan simple como leer su hora: ningún reloj atómico es perfecto, debido a cosas como los efectos gravitacionales locales o las diferencias entre sus componentes electrónicos.

Por lo tanto, los metrólogos necesitan eliminar esas imperfecciones. Así es como funciona: un laboratorio registra y refina la información de tiempo de su banco de relojes atómicos, los máseres de hidrógeno, aplicando la corrección ocasional si el reloj parece estar a la deriva (los metrólogos llaman a esto “dirección” y lo hacen usando equipos para definir la duración de un segundo... volveremos a eso más adelante).

En Londres, el NPL envía la información a la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en París. Los cronometradores del BIPM crean un promedio de todas esas medidas, dando peso adicional a los relojes con mejor rendimiento. Se realizan más ajustes y, finalmente, este proceso arroja lo que se denomina Tiempo Atómico Internacional (TAI).

Si bien la mayoría de las personas no necesitan conocer el tiempo hasta un nanosegundo, muchas industrias y tecnologías sí.

“La navegación por satélite es uno de los campos donde se requiere alta precisión, pero hay otros”, dice el metrólogo Patrick Gill.

“La sincronización de comunicaciones, la distribución de energía y el comercio financiero requieren un tiempo de alta precisión”.

Las nuevas tecnologías también traen demandas adicionales: la red 5G se basa en una sincronización precisa, por ejemplo, al igual que la tecnología de navegación que guía a los vehículos autónomos.

Sin embargo, la cuestión es que el TAI sigue siendo una construcción de un tiempo de reloj hipotético “verdadero”: una medida que el mundo simplemente está de acuerdo en cumplir.

Hay otra razón, y se reduce a una pregunta fundamental: ¿qué es exactamente un segundo? A lo largo de los años, la definición de esta unidad ha cambiado y, por lo tanto, también nuestra definición de tiempo. Es más, podría cambiar una vez más pronto.

Redefiniendo el segundo

Solía ser que el segundo se definía como 1/86.400 del día solar medio: el tiempo promedio que tarda el Sol en llegar al mismo punto en el cielo al mediodía, lo que toma aproximadamente 24 horas.

En otras palabras, esto se basó en la rotación de la Tierra, que ahora sabemos que es irregular. El segundo, según esta definición, habría sido más largo en 1900 que en 1930, cuando la rotación media del planeta era más rápida.

A mediados del siglo XX, los metrólogos decidieron que esto no funcionaría. Entonces, crearon una nueva definición para el tiempo. En 1967, se decidió que el segundo debería basarse en un valor numérico fijo de la transición hiperfina del estado fundamental de cesio no perturbado. “Es un poco complicado”, admite Gill. ¿Así que, qué significa?

Fundamentalmente, es solo otro proceso periódico y repetitivo, la base de todo cronometraje. Si bañas átomos de cesio en microondas, liberan más radiación electromagnética, con una frecuencia específica que depende de los niveles de energía dentro del átomo. Al medir esta frecuencia, como contar las oscilaciones del péndulo, puedes medir el paso del tiempo.

Se eligió esta definición porque el cesio es confiable como isótopo: prácticamente todos los átomos en una muestra responderán a la radiación electromagnética de la misma manera.

Además, en el siglo XX, las frecuencias de microondas podían medirse con mayor precisión y fiabilidad que las frecuencias más altas del espectro electromagnético. Quizás sea similar a la forma en que se puede medir el latido del corazón con un cronómetro, pero se necesita una tecnología más avanzada para medir la frecuencia de las alas de una mosca.

Sin embargo, a medida que la ciencia ha avanzado, y las nuevas tecnologías requieren un tiempo cada vez más preciso, los metrólogos han comenzado a contemplar una nueva definición para el segundo. No sucederá de la noche a la mañana, tal vez en la década de 2030, pero marcará el mayor cambio en el cronometraje compartido desde la década de 1960.

En los laboratorios como el NPL, los científicos ahora están experimentando con nueva tecnología óptica, con la esperanza de que dentro de la próxima década, el segundo sea redefinido.

El tiempo como construcción

El tiempo del reloj es lo que acordamos y no es el tiempo verdadero.

Sin embargo, este acuerdo es una necesidad para vivir y trabajar dentro de las sociedades modernas. Si volviéramos a los días en que todo el tiempo se definía localmente, muchas de nuestras tecnologías dejarían de funcionar, los trenes chocarían y los mercados financieros colapsarían.

Nos guste o no, el mundo se basa en el tiempo del reloj.

Sin embargo, puede ser esclarecedor considerar cuáles son realmente los cimientos de esta construcción. Cuando piensas en el tiempo como lo hace un metrólogo, el tiempo se convierte en algo diferente.

De vuelta en el NPL, mientras leo el cartel de “no tocar el máser”, le pregunto a uno de los científicos si él es un buen cronometrador: ¿es personalmente puntual, por ejemplo? “Oh, solo pienso en nanosegundos”, dice bromeando.

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