Ponernos de acuerdo en una definición del tiempo siempre ha sido un tema complicado, por eso los científicos se han enfocado en medirlo, y esa es una de las tareas de la Metrología.
“¡Es tarde, es tarde!”, gritaba el conejo de Alicia en el País de las Maravillas mientras sostenía un reloj, pero ¿qué significa tarde? ¿bajo qué reglas y estándares medimos el tiempo y su exactitud? ¿qué implicaciones tiene que podamos calcularlo y cómo lo hacemos?
Esto es justamente lo que el doctor en ciencias físicas Lorenzo Hernández Díaz, quien trabaja en el Centro Nacional de Metrología (Cenam), intentó responder en su charla ¿Qué onda con el segundo? el pasado 15 de mayo en el marco del programa Domingos en la Ciencia de la Academia Mexicana de Ciencias en el Museo de la Luz.
Ponernos de acuerdo en una definición del tiempo siempre ha sido un asunto complicado que no sólo le atañe a la ciencia sino también a la filosofía, por eso los científicos se han enfocado más en medirlo, y esa es una de las tareas de la Metrología, cuyo objeto es el estudio de los sistemas de pesos y medidas.
Actualmente, la medida de tiempo estándar es el segundo y se mide a escala atómica (9,192,631,770 periodos de emisión del Cesio 333, de acuerdo con la Conferencia General de Pesas Medidas), pero no siempre fue así. En sus inicios, las personas dividían el tiempo en día y noche, usando los ciclos lunares y solares como referente; posteriormente, comenzaron a desarrollar relojes de Sol (dependían de la luz solar para proyectar sombras), arena (había que voltearlos constantemente) y de agua (requerían un flujo de agua constante y un volumen uniforme).
El problema de estos relojes era que resultaban inexactos y conforme la sociedad comenzó a desarrollarse, también lo hicieron las necesidades de medir con mayor precisión el paso del tiempo para poder organizar no solo las actividades agrícolas, sino económicas. Fue así que alrededor del año 1,300 se inventaron en Europa los primeros relojes mecánicos y de péndulo.
Estos relojes no marcaban el paso de los segundos y luego de un tiempo se desviaban. En 1656, Christiaan Huygens inventó el mecanismo de escape, que no era más que poner peso sobre uno de los engranajes internos del reloj, lo que hacía que las manecillas rotaran de forma oscilatoria en vez de continua. Este mecanismo es lo que causa el sonido de tic tac de un reloj.
Todos los relojes miden el tiempo de acuerdo con un oscilador o patrón de frecuencia. En su momento, Galileo Galilei usaba los latidos del corazón como uno, sin embargo, muchos de los relojes que usamos en la actualidad tienen una lámina de cuarzo dentro de un cilindro metálico que le transmite carga eléctrica haciéndola vibrar en patrones constantes.
Del redondeo a la precisión
Aunque organizamos nuestra vida en torno a horarios, generalmente no requerimos gran precisión al momento de medir el tiempo y, más allá del conocido “ahorita” que estira y acorta el tiempo en formas que las paradojas temporales más complejas fallarían, solemos redondear el tiempo midiendo todo en minutos más que con la precisión de los segundos; sin embargo, en los ámbitos políticos, económico y de telecomunicaciones la cosa cambia.
Los sistemas bancarios, el registro de una transacción comercial, las operaciones de la bolsa, el horario de transportes internacionales, y el GPS entre otros, requieren completa exactitud en la medida del tiempo, y no solo eso, sino que debe de haber una hora internacional estándar para que los relojes mundiales estén coordinados: el Tiempo Atómico Internacional (TAI).
Los encargados de dar la hora para el TAI son relojes atómicos y llevan la frase “a tiempo” a un nivel que ni el apresurado conejo de Alicia podría alcanzar. Para construirlos, los científicos dejaron atrás el mundo de la física newtoniana clásica e incursionaron en la física atómica.
El principio general con el que funcionan los relojes atómicos es aplicar luz en diferentes frecuencias del espectro electromagnético -como las microondas- a los átomos de ciertos elementos químicos, esto excitará a sus electrones haciéndolos saltar en una frecuencia determinada dentro del mismo espectro electromagnético (emiten luz), que siempre será la misma. La mayoría de los relojes atómicos utilizan Cesio 133 porque éste tiene un electrón completamente libre en su último orbital, facilitando las mediciones sin que haya interferencias con otros electrones.
La maravilla de esto recae en que ya no debemos preocuparnos por detalles como la longitud del péndulo, el tamaño de la lámina de cuarzo o el volumen exacto de agua al momento de construir un reloj que cumpla con todos los estándares de exactitud, en lugar de eso usamos átomos, resonadores naturales cuya frecuencia de oscilación es prácticamente inmune a la temperatura y todos los efectos físicos externos que alteran el mecanismo de los relojes mecánicos.
Todos los relojes atómicos deben de pasar por una serie de pruebas de rendimiento y compararse con otros relojes atómicos en funcionamiento para que puedan ser declarados como patrones oficiales de tiempo y, una vez que forman parte del patrón mundial del tiempo atómico, están capacitados para dar la hora mundial. El Cenam cuenta actualmente con su propio reloj atómico y esperan que para 2017 se convierta en el patrón del segundo en México.
Fuente: Foro Consultivo Científico y Tecnológico (Fccyt).
