Hay 24 horas en un día, 60 minutos en una hora y 60 segundos en un minuto. Por lo tanto, seguramente un segundo es solo 1/(24 x 60 x 60), o 1/86400, de un día, ¿verdad? Bueno, resulta que definir el tiempo no es tan sencillo.
Estamos acostumbrados a pensar en un segundo como un incremento fijo de tiempo, pero esta pequeña unidad ha cambiado varias veces a lo largo de los siglos.
“El segundo se basó originalmente en la duración del día”, dijo a Live Science Peter Whibberley, científico senior del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. “La gente observó el sol pasar sobre nosotros y comenzó a medir su movimiento usando relojes de sol. Dispositivos como ese dan una hora basada directamente en la posición del sol en el cielo, lo que se llama tiempo solar aparente”.
Sin embargo, los relojes de sol tienen algunos inconvenientes. Aparte del problema obvio de no poder leer un reloj de sol cuando el sol no es visible, confiar en la rotación diaria de la Tierra (también conocida como hora astronómica) es sorprendentemente inexacto.
“La rotación no es precisamente constante”, dijo Whibberley. “La Tierra se acelera y desacelera con el tiempo. Hay una variación estacional, grandes variaciones impredecibles de una década a otra debido a cambios en el núcleo fundido, y una desaceleración a largo plazo causada por las mareas que avanzan y retroceden”.
Entonces, ¿cómo podemos medir el tiempo con precisión si utilizar la duración de un día es tan poco confiable?
En el siglo XVI, la gente recurrió a soluciones tecnológicas para este problema y comenzaron a surgir los primeros relojes mecánicos reconocibles.
“El objetivo de hacer un reloj básicamente pasó de mantener el tiempo siguiendo la posición del sol a hacer un oscilador y definir un número fijo de oscilaciones equivalente a un segundo”, dijo Sumit Sarkar, físico de la Universidad de Ámsterdam a Live Science.
Los primeros ejemplos mecánicos fueron los relojes de péndulo, que estaban diseñados para funcionar a una frecuencia específica, equivalente a un segundo astronómico, promediada a lo largo de un año. Durante los siguientes cientos de años, los científicos trabajaron en la construcción de osciladores mejores y más precisos y desarrollaron muchos otros sistemas de cronometraje, incluidos resortes y engranajes.
Alrededor de 1940, los relojes de cristal de cuarzo se habían convertido en el nuevo estándar de oro. “Si aplicas un voltaje a una pieza de cuarzo cuidadosamente formada, comienza a vibrar y puedes sintonizar la frecuencia de esa oscilación con mucha precisión”, dijo Sarkar. “Pero si bien esta precisión está bien para uso general, simplemente no es lo suficientemente buena para aplicaciones realmente técnicas, como Internet, sistemas GPS o estudios de investigación fundamental”.
Los problemas surgen porque cada pieza de cuarzo es única y resuena de manera ligeramente diferente según las condiciones físicas como la temperatura y la presión. Para ser verdaderamente precisos, los relojes deben ajustarse a alguna referencia independiente e inmutable. Aquí es donde entran los relojes atómicos.
“Los átomos tienen resonancias fijas naturales. Existen sólo en estados de energía particulares y sólo pueden cambiar de un estado a otro absorbiendo o emitiendo una cantidad fija de energía”, explicó Whibberley. “Esa energía corresponde a una frecuencia precisa, por lo que puedes usar esa frecuencia como referencia para mantener el tiempo”.
El primer reloj atómico práctico, presentado en 1955, midió el número de estas transiciones de energía inducidas por microondas en átomos de cesio durante un solo segundo astronómico. En 1967, la comunidad científica mundial acordó redefinir el segundo según este número, y el Sistema Internacional de Unidades y Medidas define ahora un segundo como la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de energía en un átomo de cesio.
Desde entonces, el segundo astronómico ha seguido variando, mientras que el segundo atómico se ha mantenido exactamente en 9.192.631.770 oscilaciones. Estas variaciones en el tiempo astronómico en realidad significan que, cada pocos años, los científicos deben agregar un segundo intercalar para permitir que la rotación más lenta de la Tierra se mantenga al día con el tiempo atómico. Este segundo intercalar se abolirá en 2035, pero los científicos y las agencias gubernamentales aún no han descubierto cómo manejar esta pequeña discrepancia, dijo Whibberley.
Pero los científicos no se contentan con esta definición, que tiene una precisión de 10^-15s o una billonésima de segundo. En todo el mundo, equipos de investigación están trabajando en relojes atómicos ópticos aún más precisos, que utilizan transiciones atómicas inducidas por luz visible de mayor energía en elementos como el estroncio y el iterbio para mejorar esta precisión más de 100 veces. De hecho, los científicos están discutiendo si es hora de redefinir el segundo nuevamente según las oscilaciones ópticas del reloj, utilizando fuentes de luz ultravioleta y visible en lugar de microondas. Pero si bien todavía es necesario responder varias preguntas importantes antes de que esto suceda, está claro que la definición precisa de segundo está sujeta a cambios.
Fuente: Live Science.
