Lo que el reloj más preciso del mundo puede decir sobre la Tierra y el cosmos

Por esta invención, este científico chino-estadounidense y el japonés Hidetoshi Katori se dividirán US$ 3 millones como co-ganadores del Premio Breakthrough 2022 de Física Fundamental.

Trabajando de forma independiente, ambos desarrollaron técnicas con láser para atrapar y enfriar átomos, luego captar sus vibraciones para manejar lo que se conoce como "relojes de red óptica", las piezas de cronómetro más precisas jamás construidas.

A modo de comparación, los relojes atómicos actuales pierden un segundo una vez cada 100 millones de años.

¿Qué se gana con una mayor precisión?

"Realmente es un instrumento que permite sondear el tejido básico del espacio-tiempo en el universo", dijo Ye a la AFP.

En su laboratorio, los investigadores demostraron que el tiempo se mueve más lento cuando el reloj se acerca al suelo unos centímetros, en línea con las predicciones de relatividad de Einstein.

Aplicados a la tecnología actual, estos relojes podrían mejorar la precisión de la navegación GPS por factor mil, o ayudar a aterrizar sin problemas un avión espacial no tripulado en Marte.

Historia del tiempo

Mejorar la precisión y exactitud del cronometraje ha sido un objetivo desde que los antiguos egipcios y chinos fabricaban relojes de sol.

Un avance clave se produjo con la invención del reloj de péndulo en 1656, que se basa en un peso oscilante. Unas décadas más tarde los cronómetros eran lo suficientemente precisos como para determinar la longitud de un barco en el mar.

A principios del siglo XX aparecieron los relojes de cuarzo, que cuando reciben una carga de electricidad, resuenan a frecuencias muy altas y específicas, con una cantidad de tics por segundo.

Los relojes de cuarzo están omnipresentes en la electrónica moderna, pero aún son algo susceptibles a las variaciones causadas por el proceso de fabricación o condiciones como la temperatura.

El siguiente gran salto en el cronometraje surgió de aprovechar los movimientos de los átomos energizados para desarrollar relojes atómicos, que son inmunes a los efectos de las variaciones ambientales.

Los físicos saben que una sola frecuencia muy alta hará que las partículas o electrones que orbitan el núcleo de un tipo específico de átomo salten a una órbita más alejada del núcleo con un estado mayor de energía.

Los relojes atómicos generan la frecuencia aproximada que hace que los átomos del elemento cesio (Ce) pasen a ese estado de mayor energía.

Luego, un detector cuenta la cantidad de esos átomos energizados, ajustando la frecuencia si es necesario para hacer que el reloj sea más preciso; tanto, que desde 1967 un segundo se define como 9.192.631.770 oscilaciones de un átomo de Ce.

Explorando el universo

Los laboratorios de Katori y Ye hallaron formas de mejorar aún más los relojes atómicos, moviendo las oscilaciones al extremo visible del espectro electromagnético, con frecuencias cien mil veces más altas que las utilizadas en los relojes atómicos actuales, para hacerlos aún más precisos.

Se dieron cuenta de que necesitaban una forma de atrapar los átomos, en este caso, del elemento estroncio (Sr), y mantenerlos quietos con temperaturas ultrabajas para ayudar a medir el tiempo correctamente.

Si los átomos caen debido a la gravedad o se mueven, habría una pérdida de precisión y la relatividad causaría distorsiones en el cronometraje.

Para atrapar los átomos, los inventores crearon una "red óptica" de ondas láser que se mueven en direcciones opuestas para crear una forma estacionaria, similar a una huevera.

Ye está entusiasmado por el potencial uso de su reloj. Por ejemplo, sincronizar los relojes de los mejores observatorios del mundo hasta las fracciones de segundo más diminutas permitiría a los astrónomos conceptualizar mejor los agujeros negros.

Mejores relojes pueden asimismo arrojar nueva luz sobre los procesos geológicos de la Tierra.

La relatividad dice que el tiempo se ralentiza cuando se acerca a un cuerpo masivo, por lo cual un reloj lo suficientemente preciso podría indicar a los científicos la diferencia entre roca sólida y lava volcánica debajo de la superficie, ayudando a predecir una erupción. O medir el nivel de los océanos o cuánta agua fluye debajo de un desierto.

Ye considera que el próximo gran desafío será miniaturizar la tecnología para poder sacarla del laboratorio.

Y admite que a veces es difícil explicar los conceptos fundamentales de la física al público.

"Pero cuando escuchan acerca de los relojes, pueden sentir que es algo tangible, pueden hacer una conexión con eso, y es muy gratificante", concluyó.

AFP