Comenzó el debate científico para redefinir el segundo en todo el mundo

Durante esta semana, 18 especialistas de diferentes naciones se reúnen en Francia con el objetivo de modificar el modo en el que se mide el segundo. Buscan, sencillamente, que la unidad de tiempo sea definida con mayor precisión. De esta manera, los relojes atómicos con base en el cesio (metal que se halla en formaciones rocosas) que se emplean actualmente darán paso a los sofisticados relojes ópticos, que tendrán como parámetro a otro elemento químico, todavía en discusión. La docena y media de referentes, entre los que se encuentra el argentino Héctor Laiz, del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), se hallan en Sèvres, una ciudad francesa a medio camino entre París y Versalles. Participan del Comité Internacional de Pesas y Medidas que por estos días se propone confeccionar una hoja de ruta para redefinir el segundo hacia el final de la década.

“La definición de las unidades de medida van cambiando de acuerdo a la evolución tecnológica, con la meta de ir logrando mayor exactitud. Dentro del sistema internacional de unidades, la del tiempo es el segundo y es lo que discutimos en la actualidad”, explica Héctor Laiz, gerente de Metrología y Calidad del INTI, único representante sudamericano en el Comité desde el 2016. Luego continúa: “Realizar esta modificación tiene sus pasos, porque hay que estar muy seguros. Después no se puede volver atrás. Pienso que quizás para 2030, los nuevos relojes ópticos podrían hasta comercializarse, a un precio que podría rondar los 300 mil dólares”.

El motivo principal de la transformación se relaciona con mejorar la incertidumbre y acceder a mediciones más robustas y mejor calibradas. “Hasta el momento, el segundo estaba basado en una definición vinculada con la transición de microondas del átomo de cesio. Ahora se quiere definir el segundo a partir de una transición de rango óptico”, apunta Diego Luna, físico del INTI y responsable del Laboratorio de tiempo y frecuencia. Se trata, en definitiva, de una frecuencia mucho más alta que generará una mayor definición de la unidad.

En qué consiste la transformación

Hasta fines de la década del 60, el segundo se definía a partir de la velocidad de la rotación de la Tierra. Sin embargo, había un problema: el fenómeno no era lo suficientemente uniforme, en la medida en que estaba condicionado por diversos aspectos como los efectos gravitatorios y la fuerza de las mareas. Esta situación condujo al empleo de relojes atómicos basados en la frecuencia de resonancia atómica. A partir de allí, el Sistema Internacional de Unidades decidió que la unidad del tiempo pasaba a establecerse a partir del período de la radiación electromagnética que emite el átomo de cesio, cuando realiza una transición entre dos estados energéticos. “Cuando un átomo realiza dicha transición emite una radiación que es de una frecuencia particular y constante. Por la tecnología disponible en aquel momento se escogió al cesio. Ello permite tener un segundo de una exactitud considerable”, explica Laiz.

«Hace unos años se desarrollaron relojes ópticos que realizan una transición a una frecuencia mucho más alta: de los gigahertz se pasó a los terahertz”, agrega. Al contar con una frecuencia más alta, poseen más resolución y permiten medir tiempo con mucha mayor exactitud (son entre 100 y 1.000 veces más exactos).

Elementos químicos para reducir la incertidumbre

En este marco, en Francia, los especialistas trazan una hoja de ruta para que hacia el 2030 el segundo deje de “realizarse” a partir de los relojes atómicos de cesio y pase a definirse mediante relojes ópticos. El metal podrá ser reemplazado por otros elementos químicos en carpeta: el iterbio y el estroncio son los que más chances cosechan ya que, por sus características, permitirían reducir el margen de incertidumbre.

A la fecha, existen un número suficiente de experimentos en distintas partes del mundo –EEUU, Canadá, Francia, Alemania, Japón, Inglaterra y China– para desarrollar la tecnología necesaria y realizar el cambio. Argentina, a través del INTI, el Citedef (Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa) y la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, participan de un proyecto. “Nuestra iniciativa no se relaciona con desarrollar un reloj propio sino que se vincula con diseñar un instrumento para comparar los relojes de cesio con los ópticos. Se denomina ‘peine de frecuencia’, un experimento que busca desarrollar una capacidad imprescindible para poder resolver el asunto internacional de cara al 2030”, dice Laiz.

Cómo impacta en el campo científico

Aunque alcanzar una mayor precisión del tiempo no modificará ningún aspecto de la vida cotidiana, apunta a conseguir diversos propósitos en el ámbito científico: transmitir más información a través de un sistema de comunicaciones; medir diferencias en el potencial gravitatorio de la Tierra para predecir con mayor eficacia los desastres naturales; así como también testear hipótesis científicas que con la capacidad de medición actual resulta imposible.

“La nueva definición debe ser consistente con la actual, es decir, no debe significar cambios notorios para los usos cotidianos. En cambio, se espera que haya cambios significativos a nivel de la física fundamental, en relación a la geodesia relativista y el campo gravitatorio, así como una mejora en los sistemas de posicionamiento por GPS”, dice Luna. De hecho, hoy en día cada satélite de GPS posee un reloj de cesio; de la misma manera que los poseen las telefónicas para poder sincronizar las comunicaciones.

El cambio modificará la escena científica. Como suele suceder con los cambios en el campo de la ciencia básica, muchas de las aplicaciones se demoran en ver la luz. “A principios del siglo XX, la Teoría de la relatividad general se asemejaba más a un relato plagado de abstracciones, casi una cuestión puramente académica. Sin embargo, 100 años después, gracias a esos conocimientos, funciona el GPS”, ejemplifica Luna. La misma suerte corrieron los láseres: al comienzo constituían una tecnología acotada al uso específico de los especialistas; sin embargo, en el presente, hasta los carpinteros lo utilizan para tomar medidas y confeccionar cualquier mueble.

Antecedentes

En 2018 y con el mismo escenario francés de fondo, se aprobó una nueva definición para el kilogramo (unidad de masa), el mol (de materia), el amperio (de electricidad) y el kelvin (de temperatura). A partir de ese momento, todas pasaron a regirse según constantes de la naturaleza y dejaron de depender de referencias exclusivas. Hasta entonces, una vez por lustro, los institutos nacionales encargados de investigar en metrología –en Argentina, el INTI– enviaban a calibrar el patrón nacional del kilogramo respecto del “gran K”, ubicado en Francia. Si la unidad de masa, por caso, pasaba a estar definida a partir de una constante física, en cualquier momento y lugar se podría “realizar” –equivalente técnico a “constituir”– un kilogramo sin la necesidad de trasladarse.

En 2018 este cambio sucedió con el kilo y la misma suerte corrió el resto de las unidades mencionadas. Pero faltaba la unidad madre: el tiempo. “Es clave precisar el tiempo porque casi todas las unidades de la física dependen de su medición. El metro, el kilogramo y el ampere, por ejemplo, se derivan a partir del segundo. Es la unidad más importante del sistema, por ello, tenerlo con mayor exactitud mejora al resto”, subraya Laiz.