Investigadores han construido un reloj atómico que es el más preciso jamás fabricado, y tiene el potencial de redefinir cómo se miden los segundos. El instrumento se basa en el elemento lutecio para su mecanismo de medición del tiempo, y logra una precisión de 19 lugares decimales —una mejora del 41% sobre el mejor desempeño anterior. Los hallazgos aparecieron el 23 de septiembre en la revista Nature.
El reloj es un importante paso adelante para un campo que ha estado superando los límites desde la década de 1950. Los relojes atómicos han sido durante mucho tiempo la base de la medición del tiempo, y este nuevo dispositivo podría finalmente reemplazar el estándar que ha definido el segundo durante décadas.
Lo que hace el Reloj
La medición del tiempo utilizando relojes atómicos depende de seguir la vibración de los átomos. El lutecio-176 es el elemento particular cuyos átomos se observan mientras vibran. Cada microsegundo está definido por esa vibración, que el reloj monitorea con un grado de precisión notable.
El estándar anterior mantenía su precisión en un número determinado de lugares decimales, mientras que el nuevo reloj lo supera en un 41%. Esta es una brecha significativa en un área donde pequeñas fracciones de segundo cuentan para todo. La ganancia no es meramente en papel — altera cómo medimos la base misma del sistema métrico.
Esa diferencia importa porque la medición de un segundo es en sí misma una base para gran parte de la vida moderna. El sistema métrico, que gobierna las mediciones desde la longitud hasta la masa y la corriente eléctrica, se basa en el segundo como su unidad de tiempo primaria. Por lo tanto, incluso una pequeña mejora en cómo se miden los segundos puede extenderse a muchas otras áreas, desde las telecomunicaciones hasta la navegación y la investigación científica.
El Elemento Detrás del Reloj
Los científicos señalan que el funcionamiento del reloj sigue siendo estable a pesar de los cambios en su entorno, particularmente en lo que respecta a los campos magnéticos y la temperatura. Mientras que otros componentes necesitan ajustes precisos para su entorno, el lutecio-176 continúa marcando el tiempo a través de un cambio de 5 grados en la temperatura externa.
Para abordar los efectos de los campos gravitacionales, el equipo creó un método conocido como promediación hiperfina. Este enfoque minimiza cualquier variación remanente en la medición del tiempo, lo cual es esencial para un dispositivo que debe permanecer preciso durante períodos prolongados.
Una Analogía de un Corredor
Murray Barrett, un físico de la Universidad Nacional de Singapur que participó en el estudio, describió la tarea con una analogía deportiva. Dijo que el objetivo es asegurarse de que el corredor pueda llegar a la meta, y el lutecio, como ocurre, es un atleta de resistencia natural.
«Nuestro trabajo es asegurarnos de que el corredor pueda llegar a la meta. El lutecio, como ocurre, es un atleta de resistencia natural.»
Lo que los científicos están intentando construir es un reloj que siga funcionando sin perder su ritmo debido a fuerzas externas, y la analogía aclara ese objetivo. El lutecio parece ser el candidato ideal para este tipo de instrumento de medición del tiempo.
El Legado del Cesio
La historia de los relojes atómicos se remonta a la década de 1960, cuando los científicos construyeron por primera vez instrumentos que medían el tiempo utilizando las formas radiactivas del elemento cesio, un metal plateado. Más tarde, el Buró Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) cambió su definición del segundo en 1968, estableciéndola para que coincidiera con la radiación emitida por el isótopo cesio-133.
La definición oficial de un segundo son 9.19 vibraciones de un átomo de cesio-133. Antes de eso, un segundo se fijó como 1/31,556,925 de la duración del año solar de 1900. Ese estándar atómico se ha convertido desde entonces en la medida definitiva para mantener el tiempo.
Durante décadas, metales radiactivos más allá de 1960 han sido empleados en la construcción de relojes atómicos, siendo el ytterbio y el estroncio ejemplos notables. Estos dispositivos de medición del tiempo actualmente sustentan sistemas que incluyen el GPS, internet y tecnología militar.
El Nuevo Estándar del Sistema Métrico
Un nuevo reloj atómico podría tomar el relevo como el estándar del sistema métrico para la medición del tiempo. El BIPM planea redefinir el segundo en 2030, utilizando la tecnología actual de los relojes atómicos. Por ahora, el lutecio parece ofrecer los resultados más precisos.
Una modificación importante resultaría de alterar cómo se define el segundo. El sistema métrico se basa en el segundo como su unidad primaria de tiempo, por lo que cualquier modificación de este tipo afectaría a todos los sistemas que dependen de él. Según los investigadores, la sensibilidad del reloj a las fuerzas externas lo convierte en un fuerte candidato para desempeñar este papel.
Pruebas de las Constantes de la Física
Un reloj tan exacto también podría ayudar a los investigadores a aprender algo fundamental sobre el universo: si las constantes en la base de la física, incluyendo G, la constante gravitacional, permanecen constantes a lo largo del tiempo. Algunos investigadores especulan que estos números podrían en realidad cambiar, y un reloj tan preciso podría detectar pequeños cambios que de otro modo pasarían desapercibidos.
«Así que los relojes ultraprecisos nos brindan las herramientas para explorar eso», dijo Barrett.
Que los números que rigen el universo podrían no ser fijos tiene serias consecuencias para cómo entendemos su funcionamiento. Un dispositivo tan preciso podría poner a prueba esa hipótesis.
El Equipo Detrás de la Investigación
Barrett y su equipo de la Universidad Nacional de Singapur lideraron la investigación. El grupo consiste en Arnold, K. J., Lee, M. D. K., Zhao, Q., Qin, Q., Zhang, Z., y Jayjong, N. El artículo apareció en Nature el 23 de septiembre.
Se ha establecido un nuevo estándar para el campo, gracias a una verificación llevada a cabo hasta el 19º dígito. Ese grado de precisión es realmente impresionante.
Lo Que Sigue
El trabajo hacia la redefinición de 2030 del BIPM continúa, con el fundamento ya construido. Los investigadores han demostrado lo que se puede lograr. Lo que queda por ver es si las naciones del mundo lo adoptarán.
Material fuente: “Físicos presentan el reloj atómico más preciso jamás creado — y podría literalmente redefinir el segundo”, Live Science.
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