El tiempo fluye incesante. Todas nuestras actividades se rigen por el paso del tiempo, de nuestro sistema circadiano hasta nuestras labores humanas en la sociedad. En nuestra vida moderna, la precisión es clave para que todo funcione sin errores: desde ver una película en streaming sin interrupciones, hasta hacer una transferencia bancaria o guiar un avión o barco con total seguridad.
Esto se debe a que muchas de estas tecnologías dependen de saber con exactitud en qué momento ocurre cada acción. En particular, cuando usamos internet, sistemas de navegación por satélite como Google Maps o comunicaciones móviles, es fundamental que todos los dispositivos involucrados estén perfectamente sincronizados en el tiempo.
ACES: la vanguardia en relojes atómicos espaciales
“Por primera vez en la historia de la humanidad, estamos conectando todos nuestros relojes más precisos en todo el mundo”, anunció Simon Weinberg, Director de Proyecto ACES, durante una rueda de prensa realizada el pasado jueves 17 de abril previa al lanzamiento de ACES (Atomic Clock Ensemble in Space)1.
Se trata de un instrumento de la ESA en colaboración con Airbus, diseñado para ofrecer cronometraje ultrapreciso desde la Estación Espacial Internacional. Este instrumento está equipado con los relojes atómicos Pharao (Proyecto de reloj atómico con enfriamiento de átomos en órbita) y el Máser de Hidrógeno Espacial (SHM por sus siglas en inglés). El objetivo es conectar este instrumento con los relojes terrestres para generar la señal horaria más precisa enviada desde el espacio. Esto permitirá pruebas de la teoría de Einstein de la Relatividad General, mejoras en la sincronización global y avances en física fundamental.
ACES será transportado a SpaceX para su integración final con el vehículo Falcon 9 antes de su lanzamiento programado el lunes 21 de abril. Este instrumento será el reloj más preciso jamás puesto en el espacio conectado en una red de relojes terrestres que tomarán las mediciones más precisas del tiempo que se tienen hasta ahora.
La idea conceptual de ACES se remonta a la década de los noventa. Desde entonces, ya se anticipaban la complejidad del montaje experimental, el nivel de tecnología que se requeriría, y las dificultades asociadas al control de factores externos que pudieran afectar la medición del tiempo en los relojes atómicos Pharao y SHM.
Uno de los logros más significativos fue la creación de una versión compacta de un montaje experimental que, tradicionalmente, puede ocupar una habitación entera. Esta reducción en tamaño al orden de poco más de un metro cúbico, fue fundamental para facilitar su transporte, no solo desde Europa hasta Estados Unidos, sino también para su instalación a bordo de la Estación Espacial Internacional, en condiciones del espacio exterior.
Los resultados de ACES prometen revolucionar la tecnología detrás de los sistemas satelitales actuales. Hoy en día, ni siquiera los satélites más avanzados cuentan con la precisión que alcanzará este experimento. Al conectar los relojes ópticos más precisos de Estados Unidos y Europa con los relojes de ACES en órbita, se podrá medir el tiempo con una exactitud extraordinaria: la diferencia entre ellos será de solo una parte en 100 mil billones, es decir, ¡0.00000000000000001 segundos! Esto permitirá comparar relojes situados en distintos puntos del planeta con una precisión jamás lograda, abriendo nuevas posibilidades para la ciencia, la navegación y las telecomunicaciones.
Además, con estos relojes atómicos en el espacio será posible poner a prueba, con una precisión nunca antes vista, una de las ideas más sorprendentes de Albert Einstein: que la gravedad puede hacer que el tiempo pase más lento. Este efecto, aunque parezca extraño, es real y muy importante, ya que si no se tomara en cuenta, tecnologías como el GPS no funcionarían con la precisión que conocemos hoy.
¿Cuánto dura un segundo? De los péndulos a los átomos
Pero, ¿a qué ritmo pasa el tiempo? ¿cuánto dura un segundo? Debemos tener una manera en la que podamos medir el paso del tiempo y para ello, los átomos y sus procesos físicos nos permiten tomarlos como referencia para definir cuánto dura una unidad de segundo.
Para entender cómo los átomos nos ayudan a precisar la duración de un segundo, tomemos un ejemplo conocido: el péndulo. El ir y venir de un péndulo en un reloj de pared cumple con la función del segundero, es decir, con cada oscilación el péndulo marca la duración un segundo. Así, estos sistemas mecánicos ofrecen una manera de establecer la duración de un segundo. Sin embargo no son sistemas muy precisos y se puede requerir mucha calibración para estabilizarlos. No queremos que se desajusten y los segundos duren más o menos tiempo de lo que deberían, haciendo que nuestro reloj se retrase o se adelante2.
Otro sistemas físicos que presentan oscilaciones, son los átomos. Específicamente, los electrones de un átomo pueden ser excitados cuando son sometidos a radiación electromagnética, lo cual ocurre a una frecuencia característica. Así, los electrones y sus interacciones con el resto del átomo pueden ocurrir un número de veces específico para un cambio de energía dado.
Imaginemos que un átomo está compuesto por un núcleo que está rodeado por una nube de electrones, habiendo un único electron solitario en la parte más externa de dicha nube. A la interacción entre el electrón solitario y el resto de los electrones en la nube se le conoce como estructura fina, mientras que a la interacción entre el electrón solitario y el núcleo atómico se le conoce como estructura hiperfina.
Las frecuencias a las que ocurren las transiciones de energía para estas interacciones son muy altas, pueden ser oscilaciones que se repiten miles de millones de veces en un lapso de tiempo muy corto, y además ocurren siempre de la misma manera, lo cual lo convierte en un proceso físico altamente estable.
En 1967, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés) adoptó al átomo de cesio 133 como el átomo a usar para definir la duración de un segundo. Así, el segundo es la duración de 9 mil 192 millones 631 mil 770 ciclos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. Esto convierte a los relojes atómicos de cesio 133 en los instrumentos para medir el tiempo con más precisión jamás construidos.
De todos los átomos, ¿por qué el cesio 133? Este átomo tiene una estabilidad impresionante, ya que puede mantener el ritmo de la transición hiperfina con una desviación de apenas dos partes en 100 billones. Para ponerlo en perspectiva, eso equivale a un error de apenas un segundo cada 1.400.000 años3. Esto significa que si encendiéramos hoy uno de estos relojes y lo dejáramos funcionando sin interrupciones, no se atrasaría ni adelantaría más de un segundo hasta dentro de más de un millón de años. Esta precisión es clave para experimentos científicos que requieren una sincronización extrema.
