La Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) redefinió el segundo en 1967 como 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133. Esta definición sustituyó la anterior definición astronómica de «1/86.400 de un día solar medio» por una basada en la física atómica.
La motivación fue la precisión. La rotación de la Tierra varía de forma irregular debido a la fricción de las mareas y al movimiento tectónico, y la duración del día fluctúa varios milisegundos a lo largo del año. Las frecuencias de transición atómica, en cambio, dependen únicamente de constantes físicas, por lo que un reloj construido en torno a ellas puede ser enormemente más estable una vez controladas las condiciones experimentales.
Un reloj atómico de cesio sincroniza un oscilador de microondas con la frecuencia de resonancia de los átomos de cesio. Un haz de átomos de cesio se expone a microondas y el sistema detecta la frecuencia a la que los átomos transitan con mayor eficiencia entre niveles de energía (9.192.631.770 Hz). Cuando el oscilador se desvía mínimamente, un bucle de retroalimentación lo ajusta de vuelta a la resonancia, manteniendo constante la frecuencia de salida.
Los instrumentos modernos más precisos son los relojes de fuente de cesio, que alcanzan una estabilidad fraccional de frecuencia de una parte en 10 elevado a la 16. Esto equivale a perder un segundo cada 300 millones de años. A lo largo de toda la edad del universo (13.800 millones de años), el error acumulado sería de apenas unos 46 segundos.
Los relojes de red óptica llevan la precisión aún más lejos al usar frecuencias de luz visible (cientos de THz) en lugar de microondas (GHz). La frecuencia es aproximadamente 100.000 veces mayor, lo que se traduce en más ciclos contados por segundo y una precisión más ajustada. Los relojes de red óptica de estroncio propuestos por Hidetoshi Katori en la Universidad de Tokio en 2001 alcanzan actualmente 10 elevado a la -18, equivalente a un segundo de error en 30.000 millones de años.
La «red» se refiere a un potencial periódico creado por patrones de interferencia en la luz láser, que atrapa átomos individuales en los nodos de la red. Se pueden observar miles de átomos simultáneamente mientras se suprimen sus interacciones, lo que permite al reloj promediar muchas mediciones independientes y obtener una precisión estadística que los sistemas de átomo único no pueden igualar.
Cada satélite GPS lleva un reloj atómico de rubidio o cesio. Los receptores en tierra calculan su posición midiendo diferencias diminutas en los tiempos de llegada de las señales de múltiples satélites. Como las ondas de radio viajan a aproximadamente 300.000 km/s, un error de temporización de 1 nanosegundo corresponde a unos 30 cm de error en la posición. Sin precisión a nivel de reloj atómico, el sistema sería inutilizable para la navegación.
El GPS también debe corregir efectos relativistas. Los relojes de los satélites a 20.000 km de altitud experimentan una gravedad más débil y avanzan unos 45 microsegundos por día más rápido (relatividad general), mientras que su velocidad orbital de 3,9 km/s los atrasa unos 7 microsegundos por día (relatividad especial). Los 38 microsegundos netos por día deben corregirse, o las posiciones derivarían aproximadamente 11 km cada día. El hecho de que el GPS funcione es evidencia directa de que las teorías de Einstein son correctas a nivel de precisión ingenieril.
Los relojes atómicos respaldan mucho más que la navegación. Los mercados financieros registran operaciones con precisión de microsegundos, y las firmas de trading de alta frecuencia compiten por diferencias de nanosegundos en el acceso al mercado. La sincronización de frecuencia en las redes eléctricas, los flujos de datos en telecomunicaciones y los experimentos de laboratorio dependen de referencias temporales ocultas en las que prácticamente ningún usuario final piensa.
Si los relojes de red óptica alcanzan un despliegue generalizado, un nuevo campo llamado «geodesia relativista» se vuelve factible: detectar variaciones diminutas en el potencial gravitatorio comparando relojes a diferentes altitudes. La exploración de recursos subterráneos, la monitorización de volcanes y la predicción de terremotos podrían beneficiarse de relojes que, en esencia, funcionan como sensores de altitud ultrasensibles. El reloj se está convirtiendo tanto en un instrumento científico como en un medidor del tiempo.
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