el experimento europeo que desafía nuestra forma de medir el tiempo

Durante una reunión familiar, alguien pregunta la hora. Uno mira el reloj de su muñeca, otro echa un vistazo al móvil y una persona señala el horno de la cocina. Todos coinciden, más o menos. Pero detrás de esa sincronía cotidiana hay un entramado tecnológico colosal. Desde los satélites GPS hasta los servidores bancarios, el mundo moderno depende de relojes de precisión extrema, y ese mundo está a punto de vivir una revolución: científicos de varios países están trabajando para reescribir el segundo.

Un consorcio internacional ha llevado a cabo el experimento más ambicioso hasta la fecha con relojes atómicos ópticos. Se trata de una comparación simultánea de diez relojes distribuidos en seis países, conectados por fibra óptica y enlaces satelitales. El objetivo no es menor: sentar las bases para redefinir el segundo, la unidad de tiempo que usamos en todo, desde cronómetros hasta redes eléctricas. El estudio, publicado en Optica, presenta 38 relaciones de frecuencia obtenidas a lo largo de 45 días de medidas coordinadas.

Por qué redefinir el segundo

El segundo actual está definido por los relojes de cesio, que marcan el tiempo según la frecuencia de una transición atómica en ese elemento. Aunque ha funcionado durante décadas, los relojes ópticos son mucho más precisos. Pueden perder menos de un segundo en miles de millones de años, gracias a transiciones de frecuencia mucho más alta en átomos como el estroncio o el iterbio.

La redefinición del segundo se prevé para alrededor del año 2030, pero no es una tarea sencilla. Para que un nuevo tipo de reloj sea admitido como patrón internacional, debe demostrar estabilidad, reproducibilidad y comparabilidad con otros relojes del mismo tipo. El gran reto está en esto último: ¿cómo comparar relojes que están en distintos países y que miden el tiempo con semejante precisión?

Los relojes ópticos no se pueden comparar directamente como si fueran despertadores. Requieren una infraestructura de enlace que no altere las señales. De ahí que el experimento haya combinado dos tecnologías: enlaces por satélite (GNSS) y fibra óptica estabilizada por láser, mucho más precisa pero limitada a ciertos países europeos.

Cómo se comparan relojes que están en países distintos

Durante 45 días, entre febrero y abril de 2022, se midieron simultáneamente diez relojes ópticos ubicados en Finlandia, Francia, Alemania, Italia, Reino Unido y Japón. Algunos relojes estaban físicamente en el mismo instituto, lo que permitía comparaciones locales. Otros se conectaron por fibra óptica, especialmente entre Francia, Italia y Alemania. Para el resto se utilizó GPS de alta precisión, mediante una técnica llamada IPPP (Integer Precise Point Positioning).

La conexión por fibra óptica ofrecía precisiones hasta 100 veces mejores que las conexiones satelitales. Sin embargo, no todos los países están aún interconectados por esta tecnología. Las comparaciones mediante GNSS, aunque útiles, aportaron incertidumbres más elevadas y mostraron, en algunos casos, resultados poco fiables.

Por ejemplo, las comparaciones que implicaban al reloj de iterbio en INRIM (Italia) mostraron una discrepancia de 4 × 10^-16, lo cual se atribuyó a un problema no identificado en la distribución de señal de ese centro. Esto demuestra que, incluso en experimentos de altísima precisión, los errores sistemáticos pueden pasar desapercibidos sin campañas coordinadas a gran escala.

Qué se ha medido exactamente

En este experimento no se midió el tiempo en sí, sino las relaciones de frecuencia entre distintos tipos de relojes. Esto permite saber si todos marcan el mismo «latido» en diferentes condiciones y ubicaciones. Se midieron 38 relaciones distintas, incluyendo algunas por primera vez en la historia. Cuatro de ellas —como Sr⁺/Sr y In⁺/Yb— se obtuvieron de forma directa por primera vez, lo que representa un avance clave para evaluar la viabilidad de estos sistemas como nuevos patrones.

Un aspecto importante fue la verificación cruzada. Algunas relaciones se midieron por más de una técnica de enlace, lo cual permitió comprobar la consistencia. En general, los valores obtenidos por fibra y GNSS coincidieron dentro de los márgenes de incertidumbre, aunque hubo excepciones relevantes que sugieren que algunos relojes —como el de estroncio en SYRTE— podrían haber tenido un ligero desvío.

Otro avance fue la medición de correlaciones estadísticas entre los distintos pares de relojes. Estas correlaciones son esenciales para calcular con precisión los márgenes de error en sistemas donde los datos no son completamente independientes. En total, se calcularon 703 coeficientes de correlación entre las distintas relaciones de frecuencia.

¿Está listo el mundo para cambiar el segundo?

La redefinición del segundo no será inmediata. Aunque este experimento representa un paso gigantesco hacia ese objetivo, aún quedan aspectos por resolver. Para empezar, no todos los relojes están disponibles para funcionar de manera continua, y las interrupciones obligan a utilizar masers de hidrógeno como referencia provisional, lo que introduce incertidumbre.

Además, hay que confirmar que todos los relojes funcionan según lo esperado durante largos periodos. “No todos los resultados confirmaron lo que esperábamos”, señala el artículo, lo cual refleja una cautela necesaria en metrología. La fiabilidad, la repetibilidad y la coherencia entre laboratorios son condiciones previas antes de redefinir algo tan universal como el segundo.

Sin embargo, los datos aportados en esta campaña serán cruciales para futuras actualizaciones de los valores de referencia de las frecuencias ópticas. Esto ayudará a decidir qué tipo de transición atómica —de qué elemento y con qué tecnología— será la base del nuevo segundo, y permitirá que los relojes ópticos contribuyan de manera oficial al Tiempo Atómico Internacional.

Más allá del reloj: aplicaciones futuras

Los relojes ópticos no solo prometen marcar el tiempo con más exactitud. También abren la puerta a nuevas áreas de la física y la geodesia. Por ejemplo, su sensibilidad extrema permite detectar ligeros cambios en el campo gravitatorio terrestre, lo que podría usarse en estudios geológicos y climáticos.

Otra línea de investigación es la búsqueda de materia oscura, ya que ciertas teorías predicen que esta forma de materia influiría, de manera sutil, en la frecuencia de los relojes atómicos. Un conjunto distribuido de relojes ópticos como el que se ha desplegado en este experimento podría actuar como una red de sensores para fenómenos físicos todavía desconocidos.

Además, tener una escala de tiempo basada en relojes ópticos permitiría una sincronización más precisa de redes de telecomunicaciones, sistemas de navegación y plataformas financieras. Esto tendría repercusiones tangibles en la vida cotidiana, aunque invisibles para el usuario final.