desde palos en el suelo hasta relojes atómicos de cesio, los humanos han estado haciendo un seguimiento del tiempo con mayor precisión durante milenios., Helen Margolis mira cómo llegamos a nuestra definición actual de la segunda, y hacia dónde va la tecnología de reloj
El 1 de noviembre de 2018, cuando este artículo publicado por primera vez en la edición impresa de physics world, había estado trabajando en el National Physical Laboratory (NPL) del Reino Unido en Teddington durante exactamente 20 años y seis días. La razón por la que sé que esto es fácil – me uní el 26 de octubre de 1998 y, con la ayuda de relojes y calendarios, puedo medir el tiempo que ha pasado., Pero, ¿qué hacía la gente antes de que aparecieran los relojes? ¿Cómo midieron el tiempo?
durante milenios se ha inventado una miríada de dispositivos para cronometraje, pero lo que todos tienen en común es que dependen de fenómenos naturales con períodos regulares de oscilación. El cronometraje es simplemente una cuestión de contar estas oscilaciones para marcar el paso del tiempo.
durante gran parte de la historia, el fenómeno periódico elegido fue el movimiento aparente del sol y las estrellas a través del cielo, causado por la Tierra girando sobre su propio eje., Uno de los primeros métodos de cronometraje conocidos, que se remonta a miles de años, consistía en colocar un palo en posición vertical en el suelo y realizar un seguimiento de su sombra en movimiento a medida que avanzaba el día. Este método evolucionó en el reloj de sol, o reloj de sombra, con marcadores a lo largo de la trayectoria de la sombra dividiendo el día en segmentos.
sin embargo, los relojes de sol son inútiles a menos que el sol brille. Es por eso que se desarrollaron dispositivos mecánicos, como relojes de agua, Relojes de vela y clepsidras., Luego, en el siglo XVII, se desarrollaron relojes de péndulo, que eran mucho más precisos que cualquier dispositivo de cronometraje anterior. Su período de oscilación (en la aproximación de orden más bajo) fue determinado por la aceleración debida a la gravedad y la longitud del péndulo. Debido a que este período Es mucho más corto que la rotación diaria de la Tierra, el tiempo podría subdividirse en intervalos mucho más pequeños, lo que permite medir segundos, o incluso fracciones de segundo.,
sin embargo, la rotación de la Tierra seguía siendo el «reloj maestro» contra el cual Otros relojes se calibraban y ajustaban regularmente.
de cristal a atómico
a medida que la tecnología avanzaba, la necesidad de una sincronización de mayor resolución aumentó. Los relojes de péndulo fueron gradualmente superados por los relojes de cuarzo, el primero de los cuales fue construido en 1927 por Warren Marrison y Joseph Horton en el entonces Bell Telephone Laboratories en los Estados Unidos. En estos dispositivos, una corriente eléctrica hace que un cristal de cuarzo resuene a una frecuencia específica que es mucho más alta que las oscilaciones de un péndulo.,
la frecuencia de tales relojes es menos sensible a las perturbaciones ambientales que los dispositivos de cronometraje más antiguos, lo que los hace más precisos. Aún así, los relojes de cuarzo se basan en una vibración mecánica cuya frecuencia depende del tamaño, la forma y la temperatura del cristal. No hay dos cristales exactamente iguales, por lo que tienen que ser calibrados contra otra referencia – este fue el período de rotación de la tierra, con el segundo siendo definido como un 1/86,400 del día solar medio (ver recuadro, más abajo).
estandarizar el tiempo
El tiempo Solar no es el mismo en todas partes., En el Reino Unido, por ejemplo, Birmingham está ocho minutos por detrás de Londres, y Liverpool está 12 minutos por detrás. Mientras que la comunicación y los tiempos de viaje entre los principales centros de población eran lentos, esto importaba poco. Pero la situación cambió dramáticamente con la construcción de ferrocarriles en el siglo XIX. Tener diferentes horarios locales en cada estación causó confusión y cada vez más, a medida que la red se expandió, accidentes y cuasi accidentes. Se necesitaba un único tiempo estandarizado.,
El Great Western Railway abrió el camino en 1840 y el» tiempo ferroviario » fue gradualmente tomado por otras compañías ferroviarias en los años siguientes. Los horarios fueron estandarizados a la hora media de Greenwich (GMT), y en 1855 las señales horarias se transmitían telegráficamente desde Greenwich a través de la red ferroviaria británica. Sin embargo, no fue hasta 1880 que el papel del GMT como una hora estándar unificada para todo el país se estableció en la legislación., Cuatro años más tarde, en la Conferencia Internacional Meridiano celebrada en Washington DC en los EE.UU.,GMT fue adoptado como el estándar de referencia para las zonas horarias de todo el mundo y el segundo se definió formalmente como una fracción (1/86, 400) del día solar medio.
sin embargo, hay problemas con esta definición del segundo. A medida que nuestra capacidad para medir esta unidad de tiempo mejoró, quedó claro que el período de rotación de la Tierra no es constante., El período no solo se está desacelerando gradualmente debido a la fricción de las mareas, sino que también varía con la temporada y, lo que es peor, fluctúa de manera impredecible.
en 1955 la NPL puso en marcha una revolución en el cronometraje cuando Louis Essen y Jack Parry produjeron el primer estándar práctico de frecuencia atómica de cesio (ver cuadro, a continuación). Su dispositivo no era realmente un reloj, ya que no funcionaba continuamente, y simplemente se usaba para calibrar la frecuencia de un reloj de cuarzo externo a intervalos de unos pocos días., Sin embargo, al estudiar cómo la frecuencia de resonancia dependía de las condiciones ambientales, Essen y Parry habían demostrado convincentemente que las transiciones entre niveles discretos de energía en átomos de cesio bien aislados podían proporcionar una referencia de intervalo de tiempo mucho más estable que cualquier estándar basado en el movimiento de los cuerpos astronómicos. Como escribió Essen más tarde: «invitamos al director a venir y presenciar la muerte del segundo astronómico y el nacimiento del tiempo atómico.,»
cómo funciona un reloj atómico
en un reloj atómico de cesio, la frecuencia de una fuente de microondas se ajusta cuidadosamente hasta que alcanza la frecuencia de resonancia correspondiente a la diferencia de energía entre los dos niveles hiperfinos de estado fundamental de los átomos de cesio: 9,192,631,770 Hz. Los átomos absorben la radiación de microondas, y una señal de retroalimentación generada a partir de la señal de absorción se utiliza para mantener la fuente de microondas sintonizada a esta frecuencia altamente específica., El indicador de tiempo se genera contando electrónicamente las oscilaciones de la fuente de microondas.
El reloj original de Louis Essen en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido usaba un haz térmico de átomos de cesio y tenía una precisión de aproximadamente una parte en 1010. Hoy en día, los estándares primarios de cesio utilizan una disposición conocida como «fuente atómica», en la que los átomos enfriados por láser se lanzan hacia arriba a través de una cavidad de microondas antes de caer de nuevo bajo la gravedad. El uso de átomos fríos significa que el tiempo de interacción puede ser mucho más largo que en un reloj de haz térmico, dando una resolución espectral mucho mayor., Con una cuidadosa evaluación de los cambios sistemáticos de frecuencia que surgen de las perturbaciones ambientales, las mejores fuentes de cesio de hoy han alcanzado precisiones de una parte en 1016, aunque las mediciones deben promediarse durante varios días para alcanzar este nivel. Contribuyen como estándares primarios al Tiempo Atómico Internacional (TAI).
pero mostrar que el nuevo estándar era estable fue insuficiente para redefinir el segundo. Una nueva definición tenía que ser coherente con la antigua dentro del límite técnico de la incertidumbre de medición., Por lo tanto, Essen y Parry procedieron a medir la frecuencia de su estándar de cesio en relación con la escala de tiempo astronómica diseminada por el Observatorio Real de Greenwich.
mientras tanto, los astrónomos habían cambiado a usar el tiempo de efemérides, basado en el período orbital de la Tierra alrededor del Sol. Su razonamiento era que es más estable que la rotación de la Tierra, pero desafortunadamente para la mayoría de los propósitos prácticos de medición es impracticablemente largo., Sin embargo, el Comité Internacional de pesos y medidas siguió su ejemplo, y en 1956 seleccionó las efemérides como la segunda unidad base de tiempo en el sistema internacional de unidades. Como dijo Essen: «incluso los organismos científicos pueden tomar decisiones ridículas.»
pero ridículo o no, necesitaba relacionar la frecuencia de cesio con la segunda Efemérides, una tarea que logró en colaboración con William Markowitz del Observatorio Naval de los Estados Unidos., Finalmente, en 1967 la Conferencia General de pesos y medidas decidió que había llegado el momento de redefinir el segundo como «la duración de 9.192.631.770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133».
la próxima generación
también se han desarrollado versiones más compactas y menos costosas, aunque menos precisas, de relojes atómicos de cesio, y las aplicaciones han florecido. Puede que no siempre nos demos cuenta, pero la precisión en el tiempo sustenta muchas características de nuestra vida diaria. Los teléfonos móviles, las transacciones financieras, Internet, la energía eléctrica y los sistemas mundiales de navegación por satélite se basan en normas de tiempo y frecuencia.,
pero aunque la transición de cesio ha demostrado ser una base duradera para la definición del Segundo, Los relojes atómicos de cesio ahora pueden estar alcanzando el límite de su precisión y las mejoras pueden abrir nuevas aplicaciones. En respuesta, está surgiendo una nueva generación de relojes atómicos basados en transiciones ópticas, en lugar de microondas. Estos nuevos relojes obtienen su precisión mejorada de sus frecuencias de operación mucho más altas., En igualdad de condiciones, la estabilidad de un reloj atómico es proporcional a su frecuencia de funcionamiento e inversamente proporcional al ancho de la transición electrónica. En la práctica, sin embargo, la estabilidad también depende de la relación señal-ruido de la función de absorción atómica.
en un reloj atómico óptico, un láser ultra estable está bloqueado a una transición electrónica espectralmente estrecha en la región óptica del espectro, la llamada «transición del reloj»., Los relojes ópticos que se estudian hoy en día se dividen en dos categorías: algunos se basan en iones atrapados enfriados por láser y otros se basan en conjuntos de átomos enfriados por láser atrapados en una red óptica.
el primero, un solo ion enfriado por láser en una trampa electromagnética de radiofrecuencia, se acerca al ideal espectroscópico de una partícula absorbente en reposo en un entorno libre de perturbaciones. Cuando se enfría, se puede confinar a una región del espacio con dimensiones inferiores a la longitud de onda de la luz láser del reloj, lo que significa que se elimina el ensanchamiento Doppler de la función de absorción.,
al controlar su movimiento residual para garantizar que esté estrechamente confinado al centro de la trampa, otros cambios de frecuencia sistemáticos también pueden suprimirse en gran medida. Por lo tanto, este tipo de reloj tiene el potencial de una precisión muy alta. El inconveniente es que un solo ion da una señal de absorción con una baja relación señal-ruido, lo que limita la estabilidad del reloj que se puede lograr.
los átomos neutros, por otro lado, pueden ser atrapados y enfriados en grandes cantidades, lo que resulta en una señal con una relación señal-ruido mucho mejor., La estabilidad, por ejemplo, mejora con la raíz cuadrada del número de átomos, siendo todo lo demás igual. Los investigadores ahora pueden confinar miles de átomos enfriados por láser en una trampa de celosía óptica, más comúnmente una matriz 1D de pozos potenciales formados por la intersección de rayos láser.
uno podría esperar que los haces de luz utilizados para atrapar los átomos alterarían la frecuencia de la transición del reloj., Sin embargo, esto se puede evitar ajustando el láser utilizado para crear la red a una longitud de onda «mágica» en la que los niveles superior e inferior de la transición del reloj cambian precisamente en la misma cantidad, una solución propuesta por primera vez en 2001 por Hidetoshi Katori, de la Universidad de Tokio en Japón.
el récord actual de estabilidad del reloj óptico está en manos del grupo de Andrew Ludlow del Instituto Nacional de estándares y Tecnología de Estados Unidos en Boulder, Colorado. Su reloj de celosía óptica de iterbio demostró recientemente una estabilidad de una parte en 1018 para tiempos promedio de unos pocos miles de segundos., Sin embargo, los relojes ópticos de iones atrapados también han demostrado estabilidades muy por debajo de las de los relojes atómicos de cesio, y ambos tipos ahora han alcanzado incertidumbres sistemáticas estimadas en las partes bajas en el nivel de 1018. Esto supera con creces la precisión de los estándares primarios de cesio y plantea una pregunta obvia: ¿es hora de redefinir el segundo una vez más?
el futuro del tiempo
la frecuencia del estándar óptico seleccionado, por supuesto, debe determinarse con precisión en términos de la frecuencia de cesio, para evitar cualquier discontinuidad en la definición. Pero esto se puede lograr fácilmente usando un peine de frecuencia óptica de femtosegundo – una fuente de láser cuyo espectro es un peine regularmente espaciado de frecuencias-para cerrar la brecha entre las frecuencias ópticas y las de microondas. Un obstáculo para una redefinición es que no está claro qué reloj óptico será el mejor en última instancia., Cada sistema que se está estudiando tiene ventajas y desventajas: algunos ofrecen una mayor estabilidad alcanzable, mientras que otros son altamente inmunes a las perturbaciones ambientales.
otro desafío es verificar experimentalmente sus incertidumbres sistemáticas estimadas a través de comparaciones directas entre Relojes ópticos desarrollados de forma independiente en diferentes laboratorios. Aquí los investigadores en Europa tienen una ventaja, ya que ya es posible comparar los relojes ópticos en el Reino Unido, Francia y Alemania con el Nivel Necesario de precisión utilizando enlaces de fibra óptica., Desafortunadamente, estas técnicas no se pueden utilizar actualmente en escalas intercontinentales y se deben encontrar formas alternativas de conectarse a relojes ópticos en los Estados Unidos y Japón.
Los experimentos de comparación de reloj remoto también deben tener en cuenta el corrimiento al rojo gravitacional de las frecuencias de reloj. Para los relojes ópticos con incertidumbres de una parte en 1018, esto significa que el potencial de gravedad en los sitios del reloj debe conocerse con una precisión correspondiente a aproximadamente 1 cm de altura, una mejora significativa en el estado actual del arte. También deben tenerse en cuenta las variaciones de marea del potencial de gravedad.,
aunque es probable que todos estos desafíos se superen con el tiempo, una redefinición del segundo requerirá un consenso internacional y todavía está lejos. Hasta entonces, la comunidad global de metrología de tiempo y frecuencia ha acordado que los relojes atómicos ópticos pueden, en principio, contribuir a las escalas de tiempo internacionales como representaciones secundarias de la segunda.
de hecho, la precisión sin precedentes de los relojes atómicos ópticos ya está beneficiando a la física fundamental., Por ejemplo, se han establecido límites mejorados en la variación de tiempo actual de la constante de estructura fina (α ≈ 1/137) y la relación de masa protón-electrón comparando las frecuencias de diferentes relojes durante un período de varios años.
Los relojes ópticos también podrían abrir aplicaciones completamente nuevas. Al comparar la frecuencia de un reloj óptico transportable con un reloj de referencia fijo, podremos medir las diferencias de potencial de gravedad entre ubicaciones bien separadas con alta sensibilidad, así como alta resolución temporal y espacial., Tales mediciones conducirán a definiciones más consistentes de alturas sobre el nivel del mar – actualmente diferentes países miden en relación con diferentes mareómetros, y el nivel del mar no es el mismo en todas partes de la Tierra. También podrían permitirnos monitorear los cambios en el nivel del mar en tiempo real, rastrear las tendencias estacionales y a largo plazo de las masas de hielo y los cambios generales de las masas oceánicas, datos que proporcionan una aportación crítica a los modelos utilizados para estudiar y pronosticar los efectos del cambio climático., Es irónico quizás que podamos estudiar la Tierra-cuya rotación originalmente definió la segunda-con mayor detalle con la ayuda de su último usurpador: el reloj óptico.
