«Debo volver a los mares nuevamente, al mar solitario y al cielo. Todo
lo que pido es un barco grande y una estrella para guiarme por ella»;
de Fiebre Marina («Sea Fever») de John Masefield, 1900.
Abril
8, 2002: En el poema de John Masefield titulado «Fiebre Marina», todo
lo que él necesita para deambular por los mares es «un barco grande
y una estrella para guiarse por ella». En realidad, un buen reloj también
sería tan importante como estas dos cosas. Los marinos que navegaban
guiados por estrellas necesitaban saber cuando estaban observando
al cielo. De lo contrario, las cartas de navegación y las tablas
no hubieran servido para nada.
En la época en la cual Masefield escribió su poema, al
comienzo del siglo 20, la navegación guiada por estrellas era mucho
más precisa tras la invención de los cronómetros marinos.
Estos eran grandes relojes fabricados con resortes que, una vez
puestos en hora, mantenían el tiempo con un margen de error de un
segundo por día.
En el siglo 21, nuestras naves viajan distancias mucho más grandes
— no sólo desde Londres a Nueva York, sino también desde
la Tierra a Marte y aún más allá. Por esta razón,
la precisión de nuestros relojes debe ser todavía mayor.
Arriba: Una goleta navegando
bajo cielos despejados. Derechos reservados Joel W. Rogers.
Los navegantes modernos dependen de relojes atómicos. A diferencia
de los resortes o péndulos, la resonancia natural de los átomos
— generalmente cesio o rubidio — ofrecen el tictac uniforme del reloj
atómico. Los mejores relojes atómicos sobre la Tierra no
se atrasan más de un segundo en millones de años.
Esto es impresionante, pero los científicos del Programa de Física
Fundamental de la NASA (Fundamental Physics Program) quieren mejorarlo.
Para aquellos de nosotros que rezongamos «sólo un minuto» cuando
en realidad queremos decir «media hora», una precisión mayor en
la medida del tiempo podría parecer algo exagerado. Sin embargo
hay muchas razones para esto: poner a prueba las teorías de la gravedad,
por ejemplo, guiar naves espaciales, y resolver una gran variedad de problemas
prácticos.
Marineros, camioneros, soldados, caminantes, y pilotos… todos ellos
dependen de relojes atómicos, aunque no lo sepan. Cualquiera
que utilice el Sistema de Posición Geográfica (o GPS
por sus siglas en inglés — Global Positioning System) se beneficia
de la hora atómica. Cada uno de los 24 satélites GPS lleva
4 relojes atómicos a bordo. Mediante la triangulación de
señales de tiempo emitidas desde órbita, los receptores GPS
en Tierra pueden localizar su ubicación con gran exactitud.
Diminutas inestabilidades en los relojes en órbita pueden producir
errores de varios metros en las mediciones de un receptor GPS. Tales errores
podrían ser reducidos a una fracción de un metro si se fabricarán
relojes más pequeños (de manera que se pueda colocar un
mayor número de ellos en cada satélite) o se incrementara
su estabilidad.
Los
pilotos que descienden sobre pistas de aterrizaje durante la noche agradecerán
esta mejora. De la misma manera, agrimensores, cateadores, equipos de búsqueda
y rescate… y agricultores. Los «agricultores de precisión» ya están
utilizando tractores guiados por GPS para administrar dosis precisas de
agua, fertilizante y pesticidas sobre terrenos del tamaño de un
jardín. Mejores datos de GPS podrían guiar a dichos tractores
a hileras individuales, o quizás a plantas en particular que requieran
de un cuidado especial.
Izquierda: Una nueva generación de productores llamada
«Agricultores de Precisión» dependen del GPS y de relojes atómicos.
[más
información]
«Algún día, también vamos a querer tener satélites
GPS alrededor de otros planetas», hace notar Don Strayer del Programa de
Física Fundamental de la NASA en el JPL. Por ejemplo, un Sistema
de Posición Geográfica Marciano podría guiar a los
exploradores — tanto robots como humanos — a través del Planeta
Rojo. Menos probable, pero también posible: los agricultores del
futuro sobre Marte podrían necesitar GPS para cuidar sus cultivos
como lo hacen sus primos en la Tierra. Los campos marcianos, definitivamente,
necesitarán de un cuidado muy especial.
Los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS tienen
un margen de error de «una parte en 1012«, dice Lute Maleki
quien supervisa el Grupo de Ciencias Cuánticas y Tecnología
del JPL (Quantum Sciences and Technology Group). Esto significa que un
observador tendrá que observar a un reloj GPS por 1012
segundos (32.000 años), para verlo atrasarse o adelantarse un segundo.
Para guiar naves espaciales desde un planeta a otro utilizamos relojes
más estables — los cuales poseen un margen de error de «una parte
en 1014«, agregó.
Recientemente los científicos han construido relojes atómicos
que son todavía mejores — «con un margen de error de 1014«,
hace notar Maleki. Esto se logró utilizando una nueva técnica
llamada «enfriamiento por rayos láser» (laser cooling en
inglés). En los años noventa varios grupos de investigadores
realizaron un descubrimiento que parecía ir en contra de la intuición:
la aplicación de rayos láser sobre átomos puede
enfriarlos a temperaturas de sólo una millonésima de grado
por arriba del cero absoluto. Tales átomos fríos constituyen
«péndulos» excelentes para los relojes atómicos, explica
Strayer, «porque la frecuencia natural del átomo se puede medir
con mayor precisión a bajas temperaturas».
Derecha:
NIST-F1, un reloj atómico enfriado por rayos láser en Boulder
Colorado, es el principal estándar de tiempo y frecuencia para los
Estados Unidos. [más
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Si los átomos fríos son buenos, los átomos fríos
flotantes
son aún mejores.
«La Estación Espacial Internacional o EEI (International Space Station) es un lugar
excelente para los relojes atómicos porque está
en caída libre alrededor de la Tierra», continúa Strayer. Los átomos
que se mueven lentamente en un reloj enfriado sin peso, pueden ser observados
por más tiempo, y es menos probable que choquen contra las paredes
del contenedor en su periodo medio de oscilación.
Si todo sale como se ha planeado, un reloj enfriado por rayos láser
llamado PARCS será instalado en la EEI a fines del año 2004 o en el
2005. Los expertos anticipan que será el reloj más estable
que jamás se haya construido, capaz de calcular el tiempo con un
margen de error de un segundo cada 300 millones de años (una parte
en 1016).
Según la teoría de la gravedad y espacio-tiempo de Einstein
— llamada «Relatividad General» — los relojes afectados por un fuerte
campo gravitacional funcionan más lentamente que los relojes bajo
un campo gravitacional más débil. Debido a que la gravedad
es más débil en la EEI que en la superficie de la Tierra, PARCS
debería acumular un segundo extra cada 10.000 años, comparado
con los relojes en la Tierra. PARCS no estará allí arriba
por un tiempo tan largo, pero es tan estable que revelará este efecto
en menos de un año. (Strayer hace notar que los relojes sobre los
satélites GPS también experimentan este fenómeno relativista,
el cual es corregido por sistemas a bordo.)
«Poner relojes atómicos en órbita es una buena manera
de probar la teoría de la Relatividad General», dice Maleki. «La
Relatividad General hasta hora ha pasado cada prueba, pero ninguna teoría
es perfecta — ni siquiera la de Einstein. Eventualmente, y a medida que
la precisión de nuestros experimentos sea mayor, esperamos encontrar
errores en dicha teoría, y esto cambiará de manera
espectacular nuestros conocimientos acerca de la naturaleza del Universo».
Izquierda: Albert Einstein al timón de un velero en 1932.
[más
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La dilatación del tiempo producida por el fenómeno de
la relatividad ha sido detectada y medida por otros relojes en órbita
— los GPS, por ejemplo — pero PARCS medirá el efecto con
errores cien veces menores que sus predecesores. Más aún,
PARCS probará tecnologías a ser utilizadas en una nueva
generación de relojes llamada RACE programados para ser instalados
en la EEI en el año 2006. Con un margen de error de una parte en 1017,
RACE medirá el tiempo con tanta precisión que si funcionara
por tres mil millones de años se atrasaría menos de un segundo.
Relojes como RACE pondrán la física a prueba, como nunca
antes. Mejorarán las comunicaciones en la Tierra — «de una manera
que aún no nos podemos imaginar» dice Maleki — y hará cosas
maravillosas para la navegación. De hecho, con RACE a bordo, un
marinero podría navegar no sólo guiado por las estrellas,
sino también entre ellas.
Quizás si Masefield viviera hoy, escribiría su poema de
una manera diferente: «Debo correr hacia la plataforma de lanzamiento,
hacia mi nave tan brillante y fiel; todo lo que necesito es un reloj estable
y una estrella a la cual dirigirme …»
| Más información (en inglés y español) |
| Este trabajo fue patrocinado en parte por la Oficina de Investigación Biológica y Biofísica de la NASA. Conozca más sobre las investigaciones actuales en el Portal de Internet de Física Fundamental del Espacio.
Derecha: 24 satélites
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