Mesurar un segon sembla una tasca resolta des de fa dècades, però els físics continuen trobant formes de fer-ho amb una precisió cada vegada més gran. Un equip de la Universitat Nacional de Singapur acaba de presentar el que considera el rellotge més precís construït fins ara.
El dispositiu utilitza un ió de luteci com a referència i assoleix una incertesa de només 1 × 10⁻¹⁹. Expressat d'una manera més intuïtiva, hauria de funcionar durant més de 260.000 milions d'anys per acumular una desviació equivalent a un segon.
La xifra supera àmpliament l'edat de l'univers, estimada en uns 13.800 milions d'anys. Però una precisió semblant no pretén ajudar-nos a arribar més puntuals: aquests rellotges poden servir per estudiar la gravetat, posar a prova les lleis fonamentals de la física i fins i tot contribuir a canviar la definició oficial del segon.
Un àtom de luteci es converteix en el pèndol del rellotge
Un rellotge de quars mesura el temps mitjançant les oscil·lacions regulars d'un cristall. En un rellotge atòmic, la referència procedeix d'una cosa encara més estable: la freqüència associada a una transició entre nivells d'energia d'un àtom.
L'equip del Centre for Quantum Technologies de la Universitat Nacional de Singapur treballa amb luteci-176 ionitzat. Els investigadors utilitzen làsers ajustats a una freqüència molt concreta i observen com respon l'ió. Aquesta transició extremament regular funciona com el "tic" del rellotge.
El luteci ofereix a més un avantatge important davant d'altres elements. La seva transició és relativament poc sensible a canvis de temperatura i a determinats camps magnètics, dos factors que poden introduir errors minúsculs, però rellevants quan es treballa amb aquesta precisió.
Per comprovar el rendiment real del sistema, l'equip va construir dos rellotges independents i els va comparar durant unes 200 hores. Tots dos van coincidir amb una incertesa de 5,7 × 10⁻¹⁹, una de les comparacions entre rellotges més precises realitzades fins ara.
Aquest tipus d'experiments connecta amb una qüestió més àmplia: fins a quin punt podem mesurar el temps abans de trobar-nos amb límits fonamentals. A El Nacional ja hem explicat com alguns físics estudien si pot existir una incertesa quàntica mínima en la mesura del temps.
El nou rellotge encara és molt lluny d'assolir un suposat límit d'aquest tipus, però permet entrar en una escala on efectes imperceptibles per a qualsevol rellotge convencional comencen a ser rellevants.
Pot notar si un rellotge és uns mil·límetres més alt que un altre
A aquest nivell de precisió apareix una conseqüència sorprenent de la relativitat general: l'altura a la qual es troba un rellotge modifica lleugerament el ritme al qual transcorre el temps.
La gravetat afecta el pas del temps. Un rellotge situat més a prop del centre de la Terra funciona a un ritme amb prou feines diferent del d'un altre col·locat uns centímetres més amunt.
La diferència és diminuta, però el rellotge de luteci pot detectar-la. Durant les proves, els investigadors van ser capaços de resoldre un canvi gravitatori equivalent a col·locar un dispositiu aproximadament cinc mil·límetres per sobre de l'altre.
L'efecte és tan important a aquesta escala que l'equip va haver de conèixer l'altura relativa dels dos ions amb precisió mil·limètrica per assegurar-se que la gravetat no alterava la comparació.
La mateixa física pot observar-se en situacions molt més conegudes. Com hem explicat a El Nacional en parlar de la dilatació temporal que experimenten els astronautes durant els seus viatges espacials, el temps no avança exactament al mateix ritme per a tots els observadors.
Aquesta sensibilitat pot convertir els rellotges òptics en eines per a alguna cosa més que mesurar hores i segons. Una xarxa de dispositius d'aquest tipus podria detectar petites variacions del camp gravitatori terrestre i canvis molt subtils en l'altura del terreny.
També podrien utilitzar-se per comprovar si determinades constants fonamentals canvien amb el temps o per buscar anomalies compatibles amb noves partícules i alguns models de matèria fosca.
En aquestes aplicacions, els rellotges funcionen gairebé com a sensors de física fonamental: qualsevol diferència inesperada entre dos dispositius extremament estables pot convertir-se en una pista que està passant alguna cosa que els models actuals no expliquen completament.
Aquests rellotges podrien canviar la definició d'un segon
Des de 1967, el segon es defineix utilitzant àtoms de cesi. En concret, correspon a 9.192.631.770 períodes d'una determinada transició del cesi-133.
Aquest sistema permet sincronitzar telecomunicacions, satèl·lits, xarxes informàtiques i sistemes de navegació amb una precisió extraordinària. No obstant això, els rellotges òptics han avançat fins a superar clarament els millors rellotges basats en microones.
Elements com l'estronci, l'iterbi, l'alumini i ara el luteci treballen amb freqüències òptiques molt més elevades. En termes senzills, poden comptar un nombre molt més gran d'oscil·lacions durant el mateix interval i dividir el segon amb més precisió.
Per això els organismes internacionals de metrologia fa anys que comparen diferents tecnologies abans de decidir quin podria substituir el cesi. Una redefinició del segon basada en rellotges òptics s'estudia per a 2030 o després.
El repte no consisteix únicament a construir un dispositiu extraordinàriament precís. Diferents laboratoris han de ser capaços d'obtenir resultats compatibles i comparar els seus rellotges a grans distàncies sense que petites diferències de gravetat, temperatura o condicions ambientals introdueixin errors.
Precisament per això resulten importants els experiments que connecten rellotges situats en diferents llocs. Com hem vist a El Nacional, la comparació de rellotges òptics mitjançant xarxes de fibra ja permet detectar variacions extremament petites en el pas del temps.
L'equip de Singapur vol ara reduir la mida del seu sistema i convertir-lo en un rellotge transportable. Treure'l del laboratori permetria comparar-lo directament amb altres dispositius de referència i utilitzar-lo per realitzar mesuraments gravitatoris en diferents llocs.
Per a la nostra vida quotidiana, un rellotge capaç de trigar centenars de milers de milions d'anys a desviar-se un segon no suposa una diferència visible. Per a la física, en canvi, mesurar el temps amb aquesta precisió permet observar efectes que fins fa poc eren massa petits per detectar-los.