La Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) es una de las organizaciones supranacionales más importantes del mundo. Y también una de las menos conocidas. Junto con otras dos instituciones, es responsable de mantener y actualizar el Sistema Internacional de Unidades (SI). La organización trabaja para mejorar la forma en que definimos la medida de las cosas y está preparando una lista de criterios a seguir para redefinir una de las unidades de medida más importantes: el segundo. Para ello, utilizará una nueva generación de relojes atómicos.
En décadas de trabajo, los metrólogos, es decir, los científicos que se ocupan de la medición, han redefinido gradualmente la mayoría de las medidas estándar: kilogramo, kelvin y amperio. Todas estas medidas se vinculan con el tiempo. Como dijo uno de los líderes del BIPM, el físico Noël C. Dimarcq, al ‘New York Times’: “Todas las unidades ya no son unidades autónomas, sino que dependen del segundo”. La nueva definición, sin embargo, no dará lugar a un segundo más largo o más corto, sino que aumentará la precisión con la que lo definimos.
Índice
Qué son los relojes atómicos
Usar el segundo como base para las otras unidades de medida ha resultado fundamental para lograr estándares más precisos, desvinculandose en la medida de lo posible de objetos que tienden a cambiar sus propiedades físicas con el tiempo. Esta elección, sin embargo, hizo imprescindible contar con sistemas para medir el tiempo con mayor precisión.
A lo largo de los milenios, nos hemos vuelto muy expertos en medir el paso del tiempo. Primero observando la bóveda celeste y luego inventando relojes con mecanismos cada vez más elaborados. Alrededor de la década de 1920, la introducción de los relojes de cuarzo nos permitió ser mucho más precisos.
Estos relojes utilizan una característica particular de los cristales de cuarzo. Cuando se les aplica una corriente eléctrica, vibran. Lo hacen manteniendo constante el número de vibraciones por segundo (frecuencia), que son el equivalente a las oscilaciones del péndulo en los antiguos relojes mecánicos.
Sin embargo, en poco tiempo se vio que incluso los relojes de cuarzo no eran lo suficientemente estables. De hecho, después de una hora de uso, un oscilador de cuarzo acumula un retraso de una milmillonésima de segundo. En un mes y medio, puede llegar a una milésima de segundo. Demasiado para hacer mediciones de alta precisión.
El problema se redujo parcialmente a finales de la década de 1960 con la llegada de los relojes atómicos. Estos dispositivos ofrecen sistemas para coordinar actividades que requieren un cronometraje muy preciso. Como las emisiones de radio y, ahora, la digitalización.
Cómo funcionan
Los relojes atómicos usan átomos para corregir los osciladores de cuarzo. Cada átomo de un elemento está formado por un núcleo (protones y neutrones). Alrededor del cual hay una cierta cantidad de electrones a determinadas distancias. O, mejor dicho, a niveles de energía (orbitales). Mediante el uso de una pequeña cantidad de energía, en forma de microondas, se puede inducir a un electrón a pasar a un nivel de energía superior.
Esto solo puede ocurrir si la cantidad de energía está bien calibrada, es decir, si las microondas tienen la frecuencia correcta. Esta cantidad varía para cada elemento, pero para los átomos de un elemento específico siempre es la misma, esté donde esté. Y esta es la clave para medir el tiempo con precisión.
En los relojes atómicos, la frecuencia del oscilador de cuarzo se transforma en la frecuencia de las microondas con las que chocar contra un grupo de átomos. Si esta frecuencia es correcta, muchos electrones alrededor del átomo cambiarán su nivel de energía. Si no lo es, el cambio solo afectará a algunos de ellos. Si se conoce la frecuencia correcta para obtener la transición, se puede calcular el error del oscilador de cuarzo y devolverlo a la frecuencia correcta.
El nivel de precisión de los relojes atómicos de cesio, el elemento químico que demostró ser ideal para medir el tiempo, ha permitido confirmar varias teorías. Una de ellas es que la velocidad a la que nuestro planeta gira sobre sí mismo está disminuyendo, alargando así los días. Si en la época del emperador romano Marco Aurelio alguien hubiera activado unos relojes atómicos, ahora estarían 180 minutos adelantados.
Por qué van a cambiar la unidad de medida del segundo
La precisión de los relojes atómicos permite que, por ejemplo, ordenadores, smartphones y otros dispositivos funcionen y se comuniquen entre sí. Y también que lo hagan los sistemas de geolocalización, como el GPS. Sin embargo, incluso los relojes atómicos basados ??en cesio no son perfectos. Por ello, se llevan a cabo investigaciones y estudios para desarrollar una nueva generación de dispositivos denominados relojes ópticos atómicos. En lugar de usar microondas, emplean ondas en el espectro visible.
Los experimentos involucraron elementos distintos al cesio, como el iterbio, el mercurio o el aluminio, con resultados alentadores. Aunque todavía están lejos de permitir que esta nueva tecnología sea utilizable para definir mejor el segundo. Hay menos de 30 relojes de este tipo en el mundo. Son enormes y requieren un largo y difícil trabajo de calibración. En cualquier caso, se consideran un gran avance.
Cuando el BIPM determine la lista definitiva de los requisitos, los investigadores que están desarrollando los nuevos relojes podrán realizar experimentos orientados. Es posible que muchos de estos requisitos ya se cumplan para 2026. Luego harán falta años de pruebas y análisis. Hasta llegar, en 2030, a una nueva definición del segundo. Para el tiempo, se necesita tiempo.
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