Medir un segundo parece una tarea resuelta desde hace décadas, pero los físicos siguen encontrando formas de hacerlo con una precisión cada vez mayor. Un equipo de la Universidad Nacional de Singapur acaba de presentar el que considera el reloj más preciso construido hasta ahora.
El dispositivo utiliza un ion de lutecio como referencia y alcanza una incertidumbre de apenas 1 × 10⁻¹⁹. Expresado de una manera más intuitiva, tendría que funcionar durante más de 260.000 millones de años para acumular una desviación equivalente a un segundo.
La cifra supera ampliamente la edad del universo, estimada en unos 13.800 millones de años. Pero semejante precisión no pretende ayudarnos a llegar más puntuales: estos relojes pueden servir para estudiar la gravedad, poner a prueba las leyes fundamentales de la física e incluso contribuir a cambiar la definición oficial del segundo.
Un átomo de lutecio se convierte en el péndulo del reloj
Un reloj de cuarzo mide el tiempo mediante las oscilaciones regulares de un cristal. En un reloj atómico, la referencia procede de algo todavía más estable: la frecuencia asociada a una transición entre niveles de energía de un átomo.
El equipo del Centre for Quantum Technologies de la Universidad Nacional de Singapur trabaja con lutecio-176 ionizado. Los investigadores utilizan láseres ajustados a una frecuencia muy concreta y observan cómo responde el ion. Esa transición extremadamente regular funciona como el “tic” del reloj.
El lutecio ofrece además una ventaja importante frente a otros elementos. Su transición es relativamente poco sensible a cambios de temperatura y a determinados campos magnéticos, dos factores que pueden introducir errores minúsculos pero relevantes cuando se trabaja con esta precisión.
Para comprobar el rendimiento real del sistema, el equipo construyó dos relojes independientes y los comparó durante unas 200 horas. Ambos coincidieron con una incertidumbre de 5,7 × 10⁻¹⁹, una de las comparaciones entre relojes más precisas realizadas hasta ahora.
Este tipo de experimentos conecta con una cuestión más amplia: hasta qué punto podemos medir el tiempo antes de encontrarnos con límites fundamentales. En El Nacional ya hemos contado cómo algunos físicos estudian si puede existir una incertidumbre cuántica mínima en la medición del tiempo.
El nuevo reloj todavía está muy lejos de alcanzar un supuesto límite de ese tipo, pero permite entrar en una escala donde efectos imperceptibles para cualquier reloj convencional empiezan a ser relevantes.
Puede notar si un reloj está unos milímetros más alto que otro
A este nivel de precisión aparece una consecuencia sorprendente de la relatividad general: la altura a la que se encuentra un reloj modifica ligeramente el ritmo al que transcurre el tiempo.
La gravedad afecta al paso del tiempo. Un reloj situado más cerca del centro de la Tierra funciona a un ritmo apenas distinto al de otro colocado unos centímetros más arriba.
La diferencia es diminuta, pero el reloj de lutecio puede detectarla. Durante las pruebas, los investigadores fueron capaces de resolver un cambio gravitatorio equivalente a colocar un dispositivo aproximadamente cinco milímetros por encima del otro.
El efecto es tan importante a esta escala que el equipo tuvo que conocer la altura relativa de los dos iones con precisión submilimétrica para asegurarse de que la gravedad no alteraba la comparación.
La misma física puede observarse en situaciones mucho más conocidas. Como hemos explicado en El Nacional al hablar de la dilatación temporal que experimentan los astronautas durante sus viajes espaciales, el tiempo no avanza exactamente al mismo ritmo para todos los observadores.
Esa sensibilidad puede convertir los relojes ópticos en herramientas para algo más que medir horas y segundos. Una red de dispositivos de este tipo podría detectar pequeñas variaciones del campo gravitatorio terrestre y cambios muy sutiles en la altura del terreno.
También podrían utilizarse para comprobar si determinadas constantes fundamentales cambian con el tiempo o para buscar anomalías compatibles con nuevas partículas y algunos modelos de materia oscura.
En esas aplicaciones, los relojes funcionan casi como sensores de física fundamental: cualquier diferencia inesperada entre dos dispositivos extremadamente estables puede convertirse en una pista de que está ocurriendo algo que los modelos actuales no explican por completo.
Estos relojes podrían cambiar la definición de un segundo
Desde 1967, el segundo se define utilizando átomos de cesio. En concreto, corresponde a 9.192.631.770 periodos de una determinada transición del cesio-133.
Ese sistema permite sincronizar telecomunicaciones, satélites, redes informáticas y sistemas de navegación con una precisión extraordinaria. Sin embargo, los relojes ópticos han avanzado hasta superar claramente a los mejores relojes basados en microondas.
Elementos como el estroncio, el iterbio, el aluminio y ahora el lutecio trabajan con frecuencias ópticas mucho más elevadas. En términos sencillos, pueden contar un número mucho mayor de oscilaciones durante el mismo intervalo y dividir el segundo con mayor precisión.
Por eso los organismos internacionales de metrología llevan años comparando diferentes tecnologías antes de decidir cuál podría sustituir al cesio. Una redefinición del segundo basada en relojes ópticos se estudia para 2030 o después.
El reto no consiste únicamente en construir un dispositivo extraordinariamente preciso. Diferentes laboratorios deben ser capaces de obtener resultados compatibles y comparar sus relojes a grandes distancias sin que pequeñas diferencias de gravedad, temperatura o condiciones ambientales introduzcan errores.
Precisamente por eso resultan importantes los experimentos que conectan relojes situados en distintos lugares. Como hemos visto en El Nacional, la comparación de relojes ópticos mediante redes de fibra ya permite detectar variaciones extremadamente pequeñas en el paso del tiempo.
El equipo de Singapur quiere ahora reducir el tamaño de su sistema y convertirlo en un reloj transportable. Sacarlo del laboratorio permitiría compararlo directamente con otros dispositivos de referencia y utilizarlo para realizar mediciones gravitatorias en diferentes lugares.
Para nuestra vida cotidiana, un reloj capaz de tardar cientos de miles de millones de años en desviarse un segundo no supone una diferencia visible. Para la física, en cambio, medir el tiempo con esta precisión permite observar efectos que hasta hace poco eran demasiado pequeños para detectarlos.