Los científicos han inventado un nuevo reloj que mantiene la hora de manera más precisa que cualquiera que haya existido antes.
El reloj es tan preciso que no ganará ni perderá más de un segundo en 14 mil millones de años, aproximadamente la edad del cosmos. Su tasa de tictac es tan estable que varía solo un 0.000000000000000032 por ciento en el transcurso de un solo día.
Ese nivel de exactitud no es realmente necesario para aquellos de nosotros que confiamos en los relojes para llevarnos a una cita con el médico a tiempo, o para saber cuándo debemos reunirnos con amigos.
Pero mantener el tiempo es solo el comienzo. Este nuevo reloj es tan exacto que podría usarse para detectar materia oscura, medir las ondas gravitacionales que ondulan en el universo y determinar la forma exacta del campo gravitatorio de la Tierra con una precisión sin precedentes.
De hecho, estos relojes hiper-precisos pueden ayudar a los científicos a explorar mejor los misterios del cosmos, dijeron los expertos.
Andrew Ludlow, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Boulder, Colorado, quien dirigió la construcción del nuevo reloj, dijo en un comunicado:
«Resulta que si tiene todos estos dígitos de precisión para realizar una medición, puede darle un microscopio a nuestro universo».
Desde la década de 1960, el tiempo ha sido medido por los llamados relojes atómicos que utilizan las oscilaciones naturales de un átomo de cesio como un péndulo. Piense en ello como un reloj con una mano que se mueve un poco más de 9 mil millones de veces por segundo.
El reloj de celosía óptica que desarrollaron Ludlow y sus colegas mide las oscilaciones mucho más rápidas de un átomo de iterbio. Su péndulo atómico oscila aproximadamente 10.000 veces más rápido, a una velocidad de 500 billones de veces por segundo.
Ludlow agregó:
«El cesio es un hermoso sistema atómico, pero hemos alcanzado los límites básicos de lo bueno que puede ser. El iterbio puede dividir el tiempo en intervalos mucho más finos, lo que mejora la precisión con la que se puede medir».
Los relojes de celosía óptica han existido por solo 15 años, y todavía están en la etapa de desarrollo, dijo Ludlow. Los científicos continúan jugueteando con ellos, aumentando gradualmente su precisión con cada nuevo ajuste.
La mayoría de las mejoras en la última iteración se deben a un nuevo escudo térmico que el grupo de Ludlow desarrolló hace unos años. Protege a los átomos de iterbio de los efectos del calor y los campos eléctricos, que pueden interferir con sus oscilaciones naturales.
Ludlow dijo:
«Queremos estar seguros de que cuando estemos midiendo la velocidad de movimiento del átomo, estemos midiendo la velocidad que la Madre Naturaleza nos dio, y que no se vea perturbado o cambiado debido a un efecto ambiental».
Con tantas oscilaciones, el reloj de iterbio puede detectar cambios en el campo gravitatorio de nuestro planeta con una precisión sin precedentes, escribió Ludlow y sus coautores en Nature.
Como predice la teoría de la relatividad general de Einstein, el tiempo se mueve de manera diferente dependiendo de dónde se encuentre en un campo de gravedad.
Un reloj en la cima de una montaña alta, lejos del centro de la Tierra, marcará un poquito más rápido que un reloj en la base de esa misma montaña.
No es un error mecánico. El tiempo pasa más rápido en la cima de esa montaña.
La mayoría de los relojes no son lo suficientemente precisos para registrar esa diferencia extremadamente sutil. Después de todo, en 10 años, dos relojes que están a una distancia de 1.000 metros en altura se apagarán en tan solo 31 millonésimas de segundo.
Los científicos ya han demostrado que es posible medir las diferencias en el campo gravitatorio de la Tierra al comparar la velocidad de tic de dos relojes de celosía óptica en diferentes ubicaciones. Sin embargo, hasta ahora esos mismos mapas de gravedad podrían hacerse con la misma precisión utilizando otras técnicas más baratas.
El nuevo reloj puede detectar cambios en solo 1 centímetro de elevación, una medida mucho más precisa de lo que era posible anteriormente, dijo Ludlow.
Además, su equipo forma parte de una colaboración internacional que utiliza relojes hipersensibles para tratar de detectar la materia oscura, la cosa misteriosa que se cree que es cinco veces más abundante en el universo que la materia normal.
Ludlow dijo:
«Se sabe muy poco acerca de la materia oscura, pero la mayoría de las teorías predicen que interactuará con los átomos de una manera que afectaría la velocidad de tictac de nuestro reloj».
El equipo también está experimentando con el uso de los relojes para buscar los mismos tipos de ondas gravitacionales que se observaron por primera vez con el observatorio LIGO, lo que confirma un aspecto importante de la teoría de la firma de Einstein.
A pesar de la increíble precisión del nuevo reloj, el equipo aún no ha alcanzado el límite de sus capacidades. Más retoques ya están en camino.
Ludlow dijo:
«El rendimiento es como nada que hayamos visto antes, pero ya tenemos algunas ideas sobre cómo queremos reconstruir las cosas que podrían llevar a mejoras aún más significativas».
El estudio científico ha sido publicado en la revista Nature.