Por qué es tan precisa la hora actual

Ciencia y Educacion 26.10.2014 a las 20:17 hs 1008 4

Hasta hace 175 años, la hora se calculaba gracias al Sol.

El cesio es un elemento químico que, literalmente, ha redefinido el concepto del tiempo. Gracias a este metal alcalino podemos saber con certeza cuál es la hora exacta.

Toda la vida nos han dicho lo importante que es llegar a tiempo. Pero no siempre fue así.

No es que nuestros ancestros no quisieran saber qué hora era. La raza humana ha creado ingeniosos dispositivos para calcularla durante milenios.

Pero hasta hace 175 años estaba definida por el Sol. Donde se estuviera, el mediodía era el mediodía. En un día soleado, una mirada al cielo bastaba.

Pero todo cambió con la aparición de los primeros trenes, lo que ocurrió en Reino Unido.

Los minutos de diferencia que había entre el mediodía de Londres y otras ciudades al oeste de Inglaterra, porque el Sol se va "moviendo" hacia el oeste, empezaron a causar problemas.

Además de que los pasajeros llegaban tarde para abordar al tren, las imprecisiones en las horas estaban causando accidentes.

Así que en 1840 se estableció la "hora ferroviaria". Fue la primera vez que se sincronizó el tiempo en distintos lugares y Londres se usó como referencia.

La medida fue controversial y no todos estuvieron de acuerdo. Pero, gradualmente, ese fue el concepto que primó en las poblaciones a las que llegaban los trenes.

Los inicios de los relojes actuales

La relación entre esta historia y el cesio es que siempre que exista una red que funcione a distancia la sincronización es esencial.

Para entender mejor esta conexión, me fui al Laboratorio Nacional de Física (NPL, por sus siglas en inglés), localizado en un suburbio de Londres.

Louis Essen (a la derecha) creó el primer reloj de cesio en 1955.

Es uno de los centros de investigación del cálculo del tiempo más importantes del mundo.

Fue aquí, en la década de los 30, que Louis Essen desarrolló el antecesor del reloj de cesio: el primer reloj circular de cuarzo, el más preciso para su época.

Los cristales de cuarzo vibran al alcanzar una frecuencia de sonido muy elevada cuando reciben la señal eléctrica adecuada. Esto se conoce como frecuencia de resonancia y es algo que tiene todo lo que se encuentra en el planeta Tierra.

Imagina el péndulo de un reloj viejo para entender su funcionamiento. Cada movimiento representa un segundo.
El cuarzo cumple las funciones del péndulo, pero es mucho más rápido, vibra a una frecuencia de resonancia que supera en miles a la del segundo.

Pero la del cesio es incluso mayor: 9.192.631.770 hercios (Hz). Es la razón por la que Essen utilizó este elemento en la fabricación del primer reloj de la generación"atómica".

Fue en 1955 y se retrasó un segundo en tres años.

La"fuente del cesio"

En el NPL Andrea Sella, profesor de química del University College London, explica que el cesio se ubica en la primera columna de la tabla periódica.

Eso quiere decir que tiene un solo electrón en su capa externa y, por eso, es muy reactivo, más que el sodio o el potasio.

La "fuente del cesio" es la máquina que fija los parámetros para el cálculo de la hora en Reino Unido y se encuentra en el NPL, protegida por un moderno candado electrónico.

No es como la fuente del jardín de un palacio, mas bien parece un tanque de agua caliente hecho de acero inoxidable con cables conectados a su parte inferior.

No es bonito, pero es uno de los relojes más precisos del mundo.

La "fuente del cesio" es la máquina que fija los parámetros para el cálculo de la hora en Reino Unido.

Krzysztof Szymaniec, quien está a cargo de la fuente, explica que tiene una precisión de un segundo (potencial retraso) cada 158 millones de años. Lo que quiere decir que si se hubiera empezado a utilizar cuando los dinosaurios caminaban en la Tierra, sólo se habría retrasado un segundo.

Hacia la precisión absoluta

Pero con la tecnología que existe en la actualidad, se pueden hacer relojes incluso más exactos.
Szymaniec explica que Essen escogió el cesio porque era la mejor opción considerando las limitaciones tecnológicas de la época.

En el NPL se están haciendo experimentos con elementos como el estroncio y el iterbio, que tienen frecuencias mucho mayores.

La del primero, por ejemplo, es de 444.779.044.095.486,71 Hz. Un reloj de estroncio diseñado en Estados Unidos se habría retrasado un segundo si hubiera comenzado a funcionar cuando se formó la Tierra.

Los relojes que funcionan con estroncio o con iterbio, como el de esta foto, son más exactos que los de cesio.

Si crees que semejante precisión no tiene sentido, reconsidéralo. Los satélites tienen relojes de cesio sincronizados en su interior, lo que les permite triangular colectivamente la posición de una persona u objeto.

Sin ellos, la navegación satelital sería imposible.

El costo del tiempo

Otra de las aplicaciones prácticas de esa exactitud es la "venta de la hora". Es un servicio que ofrece el NPL para que la hora tenga una precisión de una millonésima de segundo.

Sus clientes tienen una cosa en común: la necesidad de sincronizar redes que son mucho más rápidas que un tren.

A medida que se incremente el uso de la energía solar, por ejemplo, los sistemas eléctricos tienen que ser capaces de responder adecuadamente a cambios en las condiciones climáticas, como falta de viento. De lo contrario, se producirían apagones.

La precisión también es importante para las computadoras que utilizan los operadores de mercados financieros. Realizan miles de transacciones por segundo. Y una equivocación puede generar pérdidas de millones de dólares y, peor, ocasionar la caída del mercado bursátil.

Redefinición fundamental

Pero la precisión del cesio también introdujo una problema técnico. Para entenderlo, hay que retroceder a 1967.

Ese año, el segundo oficial internacional se definió en función del cesio.

Las computadoras utilizadas para transacciones bursátiles tienen que estar perfectamente sincronizadas.

Hasta ese momento la humanidad había definido el tiempo usando como referencia el movimiento del Sol en relación con la Tierra.

El cambio a la hora atómica tenía una explicación. La rotación de nuestro planeta no es muy confiable para calcular el tiempo. Ningún día y ningún año tienen la misma duración.

El movimiento de la Tierra se está desacelerando, así que los días se vuelven infinitesimalmente más largos. A esto hay que añadir las mareas, los movimientos tectónicos y la convección del manto terrestre, que generan minúsculos movimientos.

Este es un tema muy importante para Felicitas Arias, directora de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, organismo encargado de unificar los mecanismos de cálculo de las horas en el mundo, para que se adecúen al Tiempo Coordinado Universal (UTC, por sus siglas en inglés).

Esta convención, adoptada antes de la llegada de los GPS, fue problemática para los marineros porque dependían de los relojes para determinar su ubicación en el mar.

La importancia de la navegación

Usaban un sistema desarrollado por el británico John Harrison en 1761. Comparaban la posición del Sol o las estrellas en un lugar específico con la hora de un reloj fijo en tierra firme, generalmente en el Observatorio de Greenwich, en Londres.

Una diferencia de cuatro minutos representaba un grado al este o al oeste.

Un retraso de segundos en los sistemas electrónicos que controlan una planta eléctrica podría ser desastroso.

Pero para que esta técnica siguiera funcionando, era necesario que el UTC siguiera sincronizado con la rotación de la Tierra. Eso significaba añadir un segundo adicional cada cierto tiempo. Y el trabajo de Arias es decidir cuándo se hace eso.

Cita:
"Durante mucho tiempo, los segundos se introducían cada dos años. Después pasamos siete años sin añadirlos. Luego empezamos a contarlos cada dos o dos años y medio",

explica Arias.

Cada vez que se hace un ajuste, todos los relojes atómicos del mundo tienen que modificarse.

La mayoría no notaría un par de segundos extra cada dos años, pero las computadoras sí se dan cuenta. Podrían apagarse momentáneamente, lo que las haría vulnerables a ataques cibernéticos.

También podrían perder su sincronización y causar accidentes de trenes controlados electrónicamente.
Arias cree que, si ocurriera, sería desastroso. Podría afectar a redes de telefonía móvil, plantas eléctricas y sistemas de navegación satelital.

Tiempo atómico

Por eso hay un movimiento que aboga por la eliminación de los segundos adicionales y el uso del tiempo atómico.

La mayoría de las tripulaciones de los barcos utilizan GPS, así que para ellos no sería un problema.

El cesio es un elemento químico muy reactivo.

Pero cortar el vínculo entre el tiempo y el movimiento de los cuerpos celestes podría tener consecuencias importantes.

La hora en el reloj se alejaría del momento en el que amanece y en el que anochece, debido a que la velocidad de rotación de la Tierra está disminuyendo.

Cita:
"En 1.000 años tendríamos una diferencia de una hora",

dice Arias.

Añade que actualmente, y en la mayoría de los casos, no estamos sincronizados con la hora solar.

Debido a la órbita elíptica del planeta, el Sol puede estar fuera de sincronía con el tiempo solar medio (coordinado por el Observatorio de Greenwich) hasta por 16 minutos.

Las variaciones de los husos horarios y los ajustes que hacen algunos países para "ahorrar luz" generan una diferencia mayor.

Imposible…

Pero muchas naciones se resisten a la desaparición de los segundos adicionales.

El Reino Unido, cuyo meridiano de Greenwich fue una referencia para fijar la hora durante siglos, considera que esos segundos extra no son inconvenientes.

Cinco años antes de verificar científicamente los efectos de la teoría de la relatividad en el tiempo, el reloj de cesio viajó en un avión en primera clase de Londres a Estados Unidos.

En 1971 tres relojes de cesio fueron enviados a diferentes partes del mundo en aerolíneas comerciales. Cuando los científicos que hicieron el experimento los recibieron de vuelta, los compararon con relojes iguales que se habían quedado en el Observatorio Naval de Estados Unidos.

El retraso que registraron los aparatos viajeros era equivalente al tiempo que contempla la teoría de la relatividad de Albert Einstein.

Así se comprobó que la velocidad a la que transcurre el tiempo depende de la ubicación en el universo y la rapidez del movimiento.

Actualmente los relojes de los satélites de GPS tienen que ajustarse para considerar ese efecto.

La nueva generación de relojes extremadamente precisos podría usar la relatividad para "cartografiar" el campo de gravitación de la Tierra, tomando en cuenta la diferencia en minutos que se registra debido a la gravedad.

Pero considera la ironía: los relojes de cesio han probado que el cálculo absoluto de la hora es… imposible.