En 1967, la definición de "segundo" cambió para siempre. Ya no se mediría por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol — un movimiento que, resulta, no es perfectamente regular. Desde ese año, el segundo oficial es la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida por el átomo de cesio-133. Nadie puede ver esa oscilación. Pero los relojes que la cuentan son los instrumentos de medición más precisos que existen.
El reloj atómico no es un objeto doméstico. Es una instalación de laboratorio que puede pesar más de 100 kilos y requiere temperaturas próximas al cero absoluto para funcionar. El NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos) mantiene varios de ellos en Boulder, Colorado. Uno de los más precisos actuales, el NIST-F2, perdería o ganaría un segundo después de 300 millones de años de funcionamiento continuo.
¿Cómo funciona un reloj atómico?
El principio básico es contar oscilaciones. Los átomos de determinados elementos, cuando se los excita con microondas de una frecuencia específica, emiten radiación de una frecuencia extraordinariamente estable. El cesio-133 tiene esa propiedad: cuando los microondas están exactamente en la frecuencia correcta (9.192.631.770 Hz), los átomos transicionan entre dos estados de energía y emiten una señal detectable. El reloj cuenta esas transiciones.
La estabilidad viene de la naturaleza misma del átomo. A diferencia de un péndulo o un cristal de cuarzo — que pueden cambiar con la temperatura, la humedad o el desgaste — los átomos de cesio en el universo son idénticos. No envejecen ni se desgastan. La frecuencia de sus transiciones está determinada por las leyes de la física cuántica, y esas leyes no cambian.
Los relojes más modernos ya no usan cesio sino iterbio u estroncio atrapados con láseres, y funcionan en el rango óptico en vez del rango de microondas. Estos "relojes ópticos de red" son hasta 100 veces más precisos que los de cesio y podrían redefinir el segundo nuevamente en los próximos años.
¿Por qué necesitamos tanta precisión?
El GPS es el ejemplo más directo. Cada satélite GPS lleva a bordo relojes atómicos y transmite señales de tiempo. Un receptor GPS calcula su posición triangulando la diferencia en los tiempos de llegada de esas señales desde distintos satélites. Un error de un microsegundo (una millonésima de segundo) genera un error de posición de 300 metros. La precisión del GPS que usamos en el teléfono — del orden de los metros — requiere que los relojes de los satélites sean precisos hasta la decena de nanosegundos.
Las telecomunicaciones también dependen de la sincronización atómica. Las redes de fibra óptica y los sistemas de telefonía móvil coordinan el flujo de datos entre nodos usando señales de tiempo derivadas de relojes atómicos. Sin sincronización, los paquetes de datos se superponen y las redes colapsan.
Los mercados financieros tienen el mismo problema. Las bolsas de valores registran transacciones con marcas de tiempo de microsegundo. En el trading de alta frecuencia, donde los algoritmos ejecutan miles de órdenes por segundo, un error de tiempo entre dos sistemas puede crear inconsistencias que representan millones de dólares. Las regulaciones financieras de varios países exigen sincronización con fuentes de tiempo atómico.
¿Por qué la Tierra ya no sirve como reloj?
La intuición original era razonable: el día solar — el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre su eje — parecía el reloj perfecto. Es el reloj que usó la humanidad durante milenios.
El problema es que la rotación de la Tierra no es constante. Los sismos, las mareas, la distribución del hielo en los polos, el movimiento del magma interno: todos afectan ligeramente la velocidad de rotación del planeta. La Tierra se frena y se acelera. También se "aplana" gradualmente por el calentamiento global: a medida que el hielo polar se derrite, la distribución de masa cambia y la rotación se modifica.
La diferencia acumulada entre el tiempo atómico y el tiempo solar se corrige periódicamente con los "segundos intercalares" (leap seconds): se agrega un segundo al reloj oficial para que el tiempo atómico y el tiempo solar no diverjan demasiado. El último segundo intercalar fue en 2016. Hay un debate técnico abierto sobre si deberían eliminarse en el futuro.
¿Qué tan lejos puede llegar la precisión?
Los relojes ópticos de nueva generación son tan precisos que pueden detectar diferencias gravitacionales entre altitudes de apenas un centímetro. La relatividad general de Einstein predice que el tiempo pasa más lento en zonas con mayor gravedad: un reloj en el piso de un edificio corre infinitesimalmente más lento que uno en el techo. Con los relojes ópticos actuales, esa diferencia es medible.
Eso abre aplicaciones geofísicas: medir variaciones de altitud del terreno con precisión de centímetros usando solo relojes y sin GPS. O detectar variaciones en la densidad del subsuelo — agua, minerales, cavernas — a través de sus efectos gravitacionales sobre el tiempo. La geodesia por relojes (chronometric geodesy) es un campo emergente que todavía no tiene aplicación comercial pero tiene base física sólida.
La paciencia del reloj atómico, en ese sentido, no se reduce a una proeza técnica. Es una forma de escuchar la física del mundo a una escala que ningún otro instrumento puede alcanzar.
Fuente: NIST Time and Frequency Division
