Tictac, reloj atómico

Los científicos están construyendo relojes atómicos que funcionan con una precisión inconcebible. Estos instrumentos beneficiarán a los agricultores, físicos y viajeros interestelares.

"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.

ver leyendaAbril 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. 

ver leyendaLos 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". 

ver leyendaDerecha: 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 información]

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". 
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Izquierda: Albert Einstein al timón de un velero en 1932. [más información]

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.

Fiebre Marina -- el poema completo de  John Masefield (1878-1967), Poeta Inglés Laureado, 1930-1967.

PARCS, el Principal Reloj Atómico de Referencia en el Espacio -- El objetivo del proyecto PARCS es colocar un avanzado reloj atómico de cesio en la Estación Espacial Internacional (EEI) y utilizarlo para poner a prueba las predicciones de la Teoría de la Relatividad de Einstein.

RACE, el Experimento del Reloj Atómico de Rubidio -- Mediante la tecnología desarrollada y puesta a prueba por el proyecto PARCS, RACE brindará un avance a la ciencia de relojes hacia nuevas fronteras. Al igual que PARCS, volará a bordo de la EEI.
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Enlaces ala Red sobre GPS: ¿Cómo funciona el GPS? (Museo Nacional del Aire y Espacio); El Rol de los Relojes Atómicos (Más Allá del Descubrimiento); Hechos y Cifras (División de Inspección Geodésica de Canadá); Resumen del Sistema de Posición Geográfica (Universidad de Colorado); Manual de GPS (aero.org).

Derecha: 24 satélites GPS orbitan la Tierra. [más información]

Tractores, Satélites y Camionetas -- (Ciencia@NASA) La agricultura de precisión es una aplicación práctica de los relojes atómicos .

La  División de Tiempo y Frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mantiene el principal estándar de tiempo atómico de los Estados Unidos.

¿Qué es un segundo atómico? En un reloj atómico, el ritmo uniforme de un oscilador electrónico se mantiene estable en relación con la frecuencia natural de un átomo -- comúnmente cesio-133. Cuando un átomo de cesio cae desde un nivel energético a otro, un fotón en el rango de microondas es emitido. El fotón, similar a una onda, oscila como un péndulo de un reloj antiguo. Cuando ha oscilado exactamente  9.192.631.770 veces -- por decreto de la Decimotercera Conferencia General de Pesos y Medidas de 1967 -- un "segundo atómico" ha transcurrido.

Steven Chu (Stanford), Claude Cohen-Tannoudji (Universidad de Francia), y  Bill Phillips (NIST) compartieron el Premio Nobel de Física en 1997 por sus trabajos en enfriamiento por rayos láser -- una tecnología clave para relojes atómicos modernos. Ver también "Enfriamiento por Rayos Láser Congela a los Átomos en Movimiento Rápido."

Un Viaje a través del Tiempo -- (NIST) Este tour examina los avances más significativos de las técnicas utilizadas para medir el tiempo, desde los relojes de sol hasta los cronómetros marítimos y los modernos relojes atómicos.

Preguntas Frecuentes acerca del tiempo, del NIST.

La Sincronización lo es Todo (NASA Microgravity News).

Enlaces a la red sobre RG: Relatividad General (UIUC); Introducción a la Relatividad General (FSU); La guía de seis minutos al espacio-tiempo (WhyFiles).