Durante miles de años hemos intentado medir el tiempo con mayor precisión. Primero observamos el movimiento del Sol, después construimos relojes de agua, péndulos, mecanismos de engranajes y cristales de cuarzo. Finalmente llegamos a los relojes atómicos. Ahora, investigadores del Centre for Quantum Technologies de la National University of Singapore han conseguido llevar esa carrera a un territorio que resulta casi absurdo cuando se expresa con números cotidianos.
El nuevo reloj necesitaría más de 260.000 millones de años para desviarse aproximadamente un segundo. Para poner esa cifra en perspectiva, el universo tiene unos 13.800 millones de años. En otras palabras, el intervalo necesario para que el reloj acumulara ese error sería casi veinte veces la edad actual del universo.
No es un reloj como el que llevamos en la muñeca y tampoco pretende serlo. En su interior no hay agujas ni engranajes marcando las horas. Los científicos utilizan un ion de lutecio, atrapado y controlado en condiciones extremadamente precisas, y observan una transición energética específica de sus electrones. Esa transición proporciona una frecuencia extraordinariamente estable que puede utilizarse como referencia para medir el tiempo.
Dicho de una forma más sencilla: en lugar de confiar en una pieza mecánica que oscila, los investigadores utilizan el comportamiento del propio átomo como una especie de péndulo de precisión extraordinaria. Un láser se ajusta a la frecuencia necesaria para provocar la transición atómica y sus oscilaciones permiten contar intervalos de tiempo con una exactitud que hasta hace poco parecía inalcanzable.
Pero quedaba un problema evidente. Si afirmas haber construido el reloj más preciso del mundo, ¿cómo demuestras que realmente lo es si no tienes otro todavía mejor para comprobarlo?
Los investigadores encontraron una solución tan sencilla en concepto como complicada en la práctica: construyeron dos.
Los dos relojes de lutecio funcionaron de manera independiente y después sus frecuencias fueron comparadas. La concordancia alcanzó el decimonoveno dígito. El estudio publicado en Nature informa una comparación con una incertidumbre fraccional del orden de 10⁻¹⁹, un nivel de precisión extraordinario incluso dentro del mundo de los relojes atómicos.
El lutecio tampoco fue elegido por casualidad. Otros relojes ópticos experimentales trabajan con elementos como estroncio, iterbio o aluminio, pero el lutecio presenta características particularmente atractivas. Algunas de sus transiciones son relativamente poco sensibles a perturbaciones externas que pueden alterar las mediciones, entre ellas determinados efectos producidos por la temperatura y los campos magnéticos. El equipo de Singapur lleva años estudiando precisamente esas ventajas.
Y aquí es donde el descubrimiento deja de ser simplemente una competencia por fabricar el reloj más exacto.
Podría ayudarnos a cambiar qué significa exactamente un segundo.
Desde 1967, el segundo está definido internacionalmente utilizando una transición del átomo de cesio-133. Esa definición permitió construir la infraestructura temporal sobre la que funcionan buena parte de las telecomunicaciones, sistemas científicos y tecnologías de navegación modernas. Sin embargo, los relojes ópticos han alcanzado niveles de precisión superiores a los estándares basados en microondas utilizados actualmente.
Los organismos internacionales de metrología llevan años trabajando hacia una futura redefinición del segundo. Todavía no está decidido qué sistema terminará convirtiéndose en la nueva referencia internacional, pero experimentos como el del lutecio aportan datos fundamentales para tomar esa decisión.
Hay además otra consecuencia todavía más fascinante. Un reloj extremadamente preciso no sirve únicamente para medir el tiempo. También puede convertirse en una herramienta para medir la gravedad.
Einstein estableció que el tiempo no transcurre exactamente igual en todas partes. La gravedad modifica su ritmo. Un reloj situado en un campo gravitatorio ligeramente diferente puede avanzar a una velocidad imperceptiblemente distinta de otro. Para nosotros esa diferencia es imposible de notar. Para instrumentos capaces de medir el tiempo con una precisión cercana a una parte en 10¹⁹, comienza a convertirse en información observable.
Eso significa que los relojes ópticos del futuro podrían funcionar también como sensores extraordinariamente sensibles. Podrían ayudar a estudiar el campo gravitatorio terrestre, realizar pruebas cada vez más exigentes de la relatividad, mejorar determinados sistemas de navegación y buscar pequeñas desviaciones que quizá revelen física que todavía desconocemos.
Los investigadores quieren ahora avanzar hacia sistemas más prácticos y transportables. Ese paso sería importante porque permitiría sacar esta extraordinaria precisión del laboratorio y comparar relojes situados en diferentes lugares.
Hay algo casi poético en todo esto. Durante buena parte de nuestra historia miramos al cielo para saber qué hora era. Hoy encerramos un solo átomo en un laboratorio y utilizamos las leyes fundamentales de la naturaleza para perseguir fracciones de segundo que ningún ser humano podría percibir.
Hemos construido un reloj tan preciso que nuestra propia existencia es demasiado corta para verlo equivocarse.
