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| Esta imagen del 25 de enero de 2017, cortesía del Dr. Ed Marti, muestra un reloj de celosía óptica de estroncio, almacenado en el laboratorio de Jun Ye en la Universidad de Colorado, Boulder. |
El reloj que ocupa el sótano del laboratorio de Jun Ye en la Universidad de Colorado tardaría 15.000 millones de años en perder un segundo, es decir, el tiempo que ha existido el universo.
Por este invento, el científico chino-estadounidense, junto con el japonés Hidetoshi Katori, se repartirán 3 millones de dólares como co-ganadores del Premio Breakthrough de Física Fundamental 2022.
Trabajando de forma independiente, ambos desarrollaron técnicas que utilizan láseres para atrapar y enfriar átomos, y luego aprovechar sus vibraciones para accionar lo que se conoce como "relojes ópticos de celosía", las piezas de cronometraje más precisas jamás construidas.
En comparación, los relojes atómicos actuales pierden un segundo cada 100 millones de años.
Pero, ¿qué se gana con una mayor precisión?
"Es realmente un instrumento que permite sondear el tejido básico del espacio-tiempo en el universo", dijo Ye a la AFP.
En el laboratorio de Ye, los investigadores han demostrado que el tiempo se mueve más despacio cuando el reloj se acerca al suelo en cuestión de centímetros, en línea con las predicciones de la relatividad de Einstein.
Aplicados a la tecnología actual, estos relojes podrían mejorar la precisión de la navegación por GPS en un factor de mil, o ayudar a aterrizar sin problemas un avión espacial no tripulado en Marte.
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| Esta foto sin fecha obtenida el 8 de septiembre de 2021 muestra al científico chino-estadounidense Jun Ye, inventor de un reloj superpreciso. |
Una breve historia del tiempo
Mejorar la precisión y exactitud de la medición del tiempo ha sido un objetivo desde que los antiguos egipcios y chinos fabricaban relojes de sol.
En 1656 se produjo un gran avance con la invención del reloj de péndulo, que se basa en un peso oscilante para dar la hora, y 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 al ser sacudidos con electricidad resuenan a frecuencias muy específicas y elevadas, o sea, a un número de tics por segundo.
Los relojes de cuarzo son omnipresentes en la electrónica moderna, pero siguen siendo algo susceptibles a las variaciones causadas por el proceso de fabricación o por condiciones como la temperatura.
El siguiente gran salto en la medición del tiempo se produjo al aprovechar los movimientos de los átomos energizados para desarrollar relojes atómicos, que son inmunes a los efectos de esas variaciones ambientales.
Los físicos saben que una sola frecuencia muy alta hará que las partículas llamadas electrones que orbitan alrededor del núcleo de un tipo específico de átomo salten a un estado de mayor energía, encontrando una órbita más alejada del núcleo.
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| Esta imagen del 25 de enero de 2017, cortesía del Dr. Ed Marti, muestra un reloj de celosía óptica de estroncio, almacenado en el laboratorio de Jun Ye en la Universidad de Colorado, Boulder. |
Los relojes atómicos generan la frecuencia aproximada que hace que los átomos del elemento Cesio salten a ese estado de mayor energía.
Luego, un detector cuenta el número de esos átomos energizados, ajustando la frecuencia si es necesario para que el reloj sea más preciso.
Tan preciso que, desde 1967, un segundo se define como 9.192.631.770 oscilaciones de un átomo de cesio.
Exploración del universo, y de la Tierra
Los laboratorios de Katori y Ye han encontrado la forma de mejorar aún más los relojes atómicos trasladando las oscilaciones al extremo visible del espectro electromagnético, con frecuencias cien mil veces superiores a 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- y mantenerlos quietos con temperaturas ultrabajas para ayudar a medir el tiempo correctamente.
Si los átomos cayeran por efecto de la gravedad o se movieran, se perdería precisión y la relatividad provocaría efectos distorsionadores en la medición del tiempo.
Para atrapar los átomos, los inventores crearon un "entramado óptico" formado por ondas láser que se mueven en direcciones opuestas para formar una forma estacionaria parecida a un cartón de huevos.
Ye está entusiasmado con el uso potencial de su reloj. Por ejemplo, la sincronización de los relojes de los mejores observatorios del mundo hasta las más pequeñas fracciones de segundo permitiría a los astrónomos conceptualizar mejor los agujeros negros.
Unos relojes mejores también pueden arrojar nueva luz sobre los procesos geológicos de la Tierra.
La relatividad nos dice que el tiempo se ralentiza cuando se acerca a un cuerpo masivo, por lo que un reloj suficientemente preciso podría indicar a los científicos la diferencia entre la roca sólida y la lava volcánica bajo la superficie, ayudando a predecir una erupción.
O incluso medir el nivel de los océanos o la cantidad de agua que fluye bajo un desierto.
El próximo gran reto, dice Ye, será miniaturizar la tecnología para que pueda salir del laboratorio.
El científico admite que a veces es difícil explicar al público conceptos fundamentales de la física.
"Pero cuando oyen hablar de los relojes, pueden sentir que es algo tangible, pueden establecer una conexión con eso, y eso es muy gratificante", dijo.
© 2021 AFP