Cambio en las medidas: lo que conocemos ahora como un segundo será redefinido

Sin embargo, en un mundo que avanza a la velocidad de la luz, ni siquiera algo tan fundamental como el tiempo está a salvo de cambios. O mejor dicho, de revoluciones, porque eso es precisamente lo que está a punto de ocurrir gracias a una nueva generación de relojes atómicos, los relojes ópticos, tan extraordinariamente precisos que sólo se desviarán menos de un segundo en varios miles de millones de años. En comparación, los actuales estándares de tiempo parecerán simples relojes de arena.

Durante décadas, nuestro concepto del segundo, la unidad básica del tiempo, ha estado ligado a la danza inmutable de los átomos de cesio. Pero eso, ahora, ha cambiado gracias a un ambicioso experimento, el más extenso de su tipo hasta la fecha, que acaba de poner a prueba las extraordinarias capacidades de los relojes ópticos en una red intercontinental. Una proeza tecnológica recién publicada en 'Óptica' y que promete crear una escala de tiempo totalmente nueva, basada esta vez en la luz, y redefinir lo que es exactamente un segundo.

Medir el tiempo con la máxima precisión posible es mucho más importante de lo que puede parecer a simple vista. En nuestra vida diaria, damos por sentada la sincronización de nuestros dispositivos, la exactitud de nuestras transacciones bancarias o la fiabilidad de nuestros sistemas de navegación. Pero detrás de todo eso existe una intrincada red de relojes atómicos que trabajan incansablemente para mantener el mundo en hora.

«Las señales precisas de tiempo y frecuencia que proporcionan los relojes atómicos -explica Helen Margolis, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL) y firmante del articulo-, son esenciales para muchas tecnologías cotidianas, como el GPS, la gestión de las redes eléctricas y la sincronización de las transacciones financieras». Pensemos, por ejemplo, en el GPS. Para que un receptor GPS sea capaz de calcular nuestra posición con una precisión de metros, necesita recibir señales de varios satélites y medir el tiempo que tardan en llegar esas señales con una exactitud de nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Un error minúsculo en el tiempo se traduce en un error enorme en la distancia. Y esto es solo un ejemplo de cómo la precisión a la hora de medir el tiempo se traduce directamente en la funcionalidad y eficiencia de la tecnología que nos rodea por todas partes.

Los relojes atómicos convencionales funcionan midiendo las transiciones entre diferentes niveles de energía de los átomos de cesio, que emiten microondas a una frecuencia extremadamente estable. Es un sistema robusto y probado que ha servido a la humanidad con gran éxito y durante mucho tiempo.

Sin embargo, hace poco surgió una nueva generación de 'cronómetros' que promete cambiarlo todo: los relojes ópticos. La clave de su extraordinaria precisión reside en la frecuencia de las 'oscilaciones' que utilizan como referencia. Mientras que los relojes de cesio se basan en microondas, los relojes ópticos emplean láseres para excitar los átomos, haciendo que estos transiten entre niveles de energía con frecuencias mucho, muchísimo más altas. Y aquí es donde radica su 'magia'.

Al usar frecuencias ópticas, que son millones de veces más rápidas que las microondas, los relojes ópticos consiguen una tasa de 'tics' increíblemente elevada, lo que se traduce en una precisión asombrosa. Para ponerlo en perspectiva, mientras que el mejor reloj de cesio podría desviarse un segundo cada 300 millones de años, un reloj óptico perdería o ganaría menos de un segundo en miles de millones de años. Hablamos de una precisión tan extrema que se acerca a los límites teóricos de la física.

El nuevo estudio, llevado a cabo por un equipo de sesenta investigadores de numerosas instituciones internacionales, representa un hito crucial en la consolidación de estos relojes del futuro. Durante su experimento, que no tiene precedentes, se llevaron a cabo 38 comparaciones (o ratios de frecuencia) de forma simultánea con diez relojes ópticos diferentes, distribuidos en seis países: Francia, Alemania, Italia, Reino Unido, Finlandia y Polonia.

«Estas mediciones - apunta Marco Pizzocaro, del Instituto Nacional de Investigación Metrológica de Italia y coautor del artículo- proporcionan información crítica sobre el trabajo que aún es necesario para que los relojes ópticos alcancen la precisión y fiabilidad requeridas para su uso en la cronometría internacional». Es como si una orquesta de relojes, cada uno afinado a su manera, tuviera que tocar la misma melodía con una perfección absoluta. Y es precisamente en esa sincronización y comparación donde se encuentra la clave para su validación como estándar global.

Cuatro de las 38 comparaciones nunca se habían intentado antes, y muchas de las otras se midieron con una precisión significativamente mayor que en anteriores ocasiones. Este nivel de coordinación y la cantidad de datos recopilados son fundamentales para entender cómo se comportan estos relojes a larga distancia y en diferentes entornos. Además, el experimento demostró la viabilidad de conectar los relojes a través de toda Europa para mediciones de ratios de frecuencia con una precisión jamás alcanzada hasta el momento, creando lo que Pizzocaro denomina un 'laboratorio distribuido'. Es decir, un laboratorio virtual que no solo tiene implicaciones para la metrología, sino que también podría ser utilizado para llevar a cabo pruebas de física fundamental, como la búsqueda de materia oscura o la verificación de las reglas básicas del Universo.

Para llevar a cabo las mediciones, los investigadores tuvieron que ingeniárselas para 'conectar' los relojes, es decir, para comparar sus salidas de frecuencia. Para lo cual utilizaron dos métodos principales: las señales de radio de los satélites, y la luz láser que viaja a través de fibras ópticas.

El método satelital, que utiliza señales GPS, fue accesible para todos los relojes del estudio. Se trata, en efecto, de un método ampliamente disponible. Sin embargo, tiene sus limitaciones en cuanto a precisión debido a incertidumbres en la medición causadas por factores como el ruido de la señal o las limitaciones de los propios instrumentos. Es algo similar a intentar escuchar una conversación a través de una pared; algo de información se pierde por el camino.

La verdadera innovación llegó con el uso de enlaces de fibra óptica personalizados. Dichos enlaces, una especie de 'autopistas de luz', permitieron mediciones con una precisión 100 veces mayor que la técnica satelital. La luz láser, de hecho, viaja a través de estas fibras con una estabilidad y fidelidad asombrosas, minimizando las interferencias y permitiendo una comparación mucho más directa y precisa entre los relojes. No obstante, estas conexiones de alta precisión no están aún disponibles en todas partes, de modo que sólo pudieron utilizarse para conectar relojes en Francia, Alemania e Italia durante la comparación internacional.

La coordinación de los diez relojes ópticos fue una tarea hercúlea que requirió una planificación previa exhaustiva. Rachel Godun, científica principal del NPL, lo sabe bien: «No todos los resultados -afirma- confirmaron lo que esperábamos, y observamos algunas inconsistencias». Pero el hecho de comparar tantos relojes a la vez y utilizar más de una técnica de enlace facilitó la identificación de la fuente del problema. Es como tener varios testigos en un accidente; las discrepancias pueden ayudar a reconstruir la verdad de lo sucedido.

El experimento pues, ha identificado las áreas clave donde se necesita más trabajo. Para que los relojes ópticos se conviertan en el nuevo estándar del segundo, es fundamental reducir al máximo las incertidumbres de medición para que coincidan con la precisión intrínseca de los relojes. Es decir, la forma en que los comparamos debe ser tan buena como los relojes mismos. La redefinición del segundo no es una decisión que se tome a la ligera; implica un consenso global y una validación exhaustiva por parte de la comunidad científica.

Actualmente, el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) y la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) están evaluando la posible redefinición del segundo. Se espera que una hoja de ruta para la redefinición esté lista para 2026, con una posible redefinición que podría tener lugar alrededor de 2030. Un paso monumental que cambiará la forma en que medimos el tiempo para las generaciones futuras.

Las implicaciones de esta precisión sin precedentes van mucho más allá de la mera cronometría. La capacidad de medir el tiempo con una exactitud tan extrema, en efecto, abre nuevas puertas a la investigación científica fundamental. Por ejemplo, los relojes ópticos son tan sensibles que podrían detectar cambios minúsculos en el campo gravitatorio de la Tierra. Una red de estos relojes podría funcionar como una especie de `telescopio gravitatorio' con el que estudiar fenómenos geofísicos con una precisión nunca antes vista.

O incluso podrían ayudar en la búsqueda de materia oscura, esa misteriosa sustancia que conforma la mayor parte de la masa del Universo pero que no podemos ver directamente. Algunas teorías, de hecho, postulan que las interacciones con la materia oscura podrían causar ligeras variaciones en las frecuencias de los relojes atómicos. Y la extrema sensibilidad de los relojes ópticos podría ser la clave para desvelar uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna.

En definitiva, vivimos ahora un momento de trascendental importancia en la historia de la ciencia. Los relojes ópticos no son solo herramientas para mantener la hora; son ventanas a todo un universo de nuevas posibilidades, abriendo caminos para la exploración de la física fundamental y sentando las bases para tecnologías futuras que hoy solo podemos imaginar. El tic-tac del siglo XXI ya no será el de los átomos de cesio, sino el de la luz, y con ello, el tiempo mismo se revelará con una nitidez y una precisión dignas de la ciencia ficción. El futuro, sin duda, se sincroniza con la luz.