El Elemento Olvidado Que Podría Redefinir El Tiempo

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Pueden ocurrir muchas cosas en un segundo; podrías conocer a un extraño, chasquear los dedos, enamorarte, dormirte, estornudar. ¿Pero qué es un segundo realmente, y es precisamente lo que pensamos?

Justo en este momento, los relojes más precisos usados para medir el tiempo global tienen un error de 1 segundo cada 300 millones de años, así que un reloj que ha comenzado su medición en el tiempo de los dinosaurios no estaría acertado ni por un segundo en el día de hoy. Pero los científicos piensan que podemos hacer mejores cosas. [18 grandes misterios no resueltos de la Física]

Así que, ellos están buscando lutecio, un raro elemento terrestre olvidado que ha estado acumulando polvo en el fondo de la tabla periódica, de acuerdo a un nuevo estudio publicado el 25 de abril en la revista Nature Communications.

Reloj convencional. Fuente: focus.de

Reloj convencional. Fuente: focus.de

¿Por qué un segundo tarda un segundo?

En los viejos tiempos, un segundo era definido como una fracción (1/86400) del día solar regular, la rotación de 24 horas de la Tierra sobre su eje. Pero la rotación de la Tierra puede variar ligeramente, así que los científicos decidieron dejar de examinar los cielos para calibrar nuestros relojes y midieron las cosas aquí abajo, al nivel de los átomos, los bloques de construcción invisibles de la materia.

En 1967, el Comité Internacional de Pesos y Medidas definió al segundo como una cantidad de tiempo que toma a un átomo de cesio absorber la energía suficiente para ser excitado, es decir, para que sus electrones salten de un estado de energía al siguiente. Para que esto ocurra, el átomo debe ser pulsado con exactamente 9.192.631.770 ciclos de radiación de microondas.

Los investigadores John P. Lowe, Robert E. Drullinger y el líder del proyecto, David J. Glaze (de izquierda a derecha) están parados al lado de un reloj de átomo de cesio que desarrollaron llamado NIST-7. Ubicado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, este reloj era responsable de mantener el tiempo en Estados Unidos de 1993 a 1999, pero ha sido reemplazado desde entonces con relojes de cesio más precisos.

Crédito: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Aunque ese número parezca al azar, viene de medir la frecuencia de las microondas necesarias para excitar los átomos de cesio en el promedio de la definición temprana de 1 segundo. Un científico americano reportó que estas medidas fueron tomadas a lo largo de casi tres años.

Actualmente, cientos de relojes atómicos de cesio son responsables de mantener el tiempo global y controlar la navegación GPS. Pero en la década anterior, otra generación de relojes atómicos había surgido, llamados “relojes ópticos”, y son 100 veces más precisos que la variedad de cesio. Los nuevos relojes funcionan de la misma manera que los de cesio, excepto que usan átomos como el aluminio o iterbio que son excitados por frecuencias más altas de luz visible (de allí viene el nombre “óptico”), reemplazando así a las lentas microondas. Esta frecuencia más alta añade más puntos de información a la definición de un “segundo”, haciendo que las medidas sean precisas. [7 datos extraños sobre los Quarks]

Para entenderlo, imagina que los distintos tipos de relojes son un par de reglas, dijo Murray Barrett, profesor universitario de Física de la Universidad Nacional de Singapur y el autor principal de un nuevo estudio. Si el más viejo, la regla de “cesio” mide una línea de 20 centímetros (7,9 pulgadas), la más precisa, regla “óptica” puede medir la línea también como por ejemplo, 200 milímetros.

Aunque los relojes ópticos son muy precisos, hacer que funcionen toma un largo periodo de tiempo y hacer que se mantengan estables en sus entornos puede ser problemático, dijo Barrett. La temperatura de un cuarto puede cambiar los campos electromagnéticos que actúan sobre los átomos, lo cual puede arruinar la medida de tiempo, menciona Barrett. Así que los relojes de cesio “son mucho más confiables en su implementación que los nuevos relojes ópticos” explicó Barrett a Live Science.

Un reloj atómico implementado en un circuito integrado desarrollado por el NIST. Fuente: wikipedia.org

Un reloj atómico implementado en un circuito integrado desarrollado por el NIST. Fuente: wikipedia.org

Construyendo relojes atómicos menos sensibles

En su nuevo estudio, Barrett y su equipo descubrieron que un ion de lutecio es menos sensible a los cambios de temperatura ambiental que cualquier otro elemento usado en relojes ópticos, haciéndolo un fuerte candidato como cronometrador del tiempo exacto.

El equipo descubrió que los átomos de lutecio también pueden ayudar a compensar otro problema que afecta la medida del tiempo. Como los átomos usados en estos relojes están cargados, ellos van atrás y adelante ligeramente como respuesta a los campos electromagnéticos creados por las radiaciones (luz visible, microondas, entre otros) y esto puede arruinar la medida del tiempo. Los científicos llaman “cambio de micromovimiento” a este movimiento rápido de atrás y adelante.

Debido a que los científicos deben compensar este cambio, es muy difícil desarrollar relojes atómicos con más de un ion, lo cual podría hacer relojes más prácticos, Barrett dijo. Pero el equipo descubrió que podrían usar una propiedad natural en un cierto tipo de ion de lutecio para erradicar estos “cambios de micromovimiento”.

Sin embargo, esto viene con un costo: Esos átomos se han vuelto más sensibles a la temperatura del cuarto. Ese intercambio podría limitar el impacto del nuevo descubrimiento, y el átomo de lutecio no podría ser un “cambio en el juego” mencionó Jérôme Lodewyck, un físico en el Observatorio de París que no fue parte del estudio.

Pero, este “trabajo de alta calidad” añade otras posibles especies atómicas a la larga lista de candidatos cronometradores que son una “riqueza para los metrólogos” que buscan comparar distintos relojes, dijo Lodewyck. [¿Qué es eso? Tus preguntas de Física son respondidas]

Más allá de saber la hora

Aunque Barrett dijo que el lutecio es “extremadamente prometedor”, él no piensa que haya un gran apuro en redefinir el segundo que usan los relojes ópticos, mientras que los relojes de cesio trabajan bien en algunas cosas, como llevarnos a donde queremos.

Pero los relojes ópticos de alta precisión podrían permitir nueva aplicaciones “que simplemente no serían posibles con nuestra actual tecnología”, menciona Barrett.

Por ejemplo, los relojes son sensibles con respecto al lugar que ocupan en el mundo, porque el tiempo es distorsionado por la gravedad, de acuerdo a la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Justo ahora, los relojes atómicos en la Tierra no pueden detectar la minúscula deformación del tiempo que ocurre debido a la gravedad terrestre. Barrett comenta que si los investigadores pudiesen colocar relojes ópticos más precisos alrededor del globo, ese ajuste podía ayudar a los investigadores a descifrar el campo gravitacional de nuestro planeta.

Además, los relojes atómicos de alta precisión podrían detectar la materia y la energía que no somos capaces de observar, dijo Lodewyck. Eso podría incluir la materia oscura, la cual ejerce un empuje gravitacional sin interactuar con la luz ordinaria, y la energía oscura, la fuerza misteriosa que parece estar acelerando la expansión del universo, él explica.

Aquí tenemos cómo podría funcionar: Si conoces la frecuencia requerida para excitar algunos átomos en el tiempo de fracción de un segundo, podrías usar varios de estos relojes alrededor del mundo para detectar cualquier diferencia que sobrepase lo normalmente esperado. Hay “algunas teorías que dicen que la materia oscura está alrededor de nosotros, así que si cruzamos un trozo de materia oscura, esta perturbará al reloj”, dijo Lodewyck a Live Science.

Incluso habría aplicaciones en las que aún no podemos pensar, menciona Barrett. “Ciertamente, cuando comenzamos a desarrollar los relojes con el propósito de la navegación de barcos, nunca imaginamos que alguien pudiese caminar alrededor y saber exactamente donde está en una ciudad grande”.

Originalmente publicado en Live Science

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