Los físicos han desarrollado un reloj atómico tan preciso que estaría apagado en menos de un segundo en 14 mil millones de años. Ese tipo de precisión y precisión lo hace más que un simple reloj. Es un poderoso instrumento científico que podría medir ondas gravitacionales, medir la forma gravitacional de la Tierra e incluso detectar la materia oscura.
¿Cómo lo hicieron?
Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología dicen que su nuevo reloj atómico se basa en el elemento iterbio de tierras raras. Usan una cuadrícula de rayos láser llamada red óptica para atrapar 1000 átomos de iterbio. Los átomos "marcan" naturalmente al cambiar entre dos niveles de energía. Esa acción se llama transición atómica de electrones, y tarda nanosegundos en ocurrir. Cada vez que marcan o cambian los niveles de energía, los electrones emiten energía de microondas, que puede detectarse. Los físicos del NIST construyeron dos de estos relojes de iterbio y, al compararlos, lograron un rendimiento récord.
Este rendimiento récord se mide de tres maneras:
- Incertidumbre sistemática: así de bien representa el reloj las vibraciones naturales de los átomos de iterbio. El reloj de iterbio estaba apagado solo por una milmillonésima parte de la milmillonésima parte.
- Estabilidad: Esto es cuánto cambia la frecuencia del reloj en un tiempo específico. En este caso, midieron su reloj de iterbio y cambió solo 0.00000000000000000032) durante un día.
- Reproducibilidad: Esto mide qué tan cerca dos relojes de iterbio marcan la misma frecuencia. En 10 comparaciones entre el par de relojes, la diferencia fue de nuevo menos de una billonésima parte de la billonésima parte.
"La incertidumbre sistemática, la estabilidad y la reproducibilidad pueden considerarse la" escalera real "del rendimiento de estos relojes", dijo el líder del proyecto Andrew Ludlow en un comunicado de prensa. "El acuerdo de los dos relojes en este nivel sin precedentes, que llamamos reproducibilidad, es quizás el resultado más importante, porque esencialmente requiere y corrobora los otros dos resultados".
Einstein nos mostró que el tiempo pasa de manera diferente dependiendo de la gravedad a la que estés sujeto. El tictac de los átomos en un reloj atómico se ralentiza cuando se observa en una gravedad más fuerte. En la cima del monte. Everest, por ejemplo, el tiempo se mueve más rápido que en el fondo de la Fosa de las Marianas. Eso es porque, aquí en la Tierra, la fuerza de gravedad se concentra en el centro del planeta. Cuanto más lejos esté del centro, menos gravedad habrá. El efecto no es grande, quizás solo millonésimas de segundo. Pero está ahí. Eso parece contra-intuitivo de alguna manera, pero eso es lo que mostró Einstein, y se ha demostrado que es correcto.
Lo excepcional de este nuevo reloj atómico es que su reproducibilidad demostrada significa que el error del reloj está por debajo de nuestra capacidad de detectar el efecto gravitacional a tiempo aquí en la Tierra.
El físico del NIST Andrew Ludlow lo explica así: "... la reproducibilidad demostrada muestra que el error total de los relojes cae por debajo de nuestra capacidad general para dar cuenta del efecto de la gravedad en el tiempo aquí en la Tierra. Por lo tanto, a medida que imaginamos relojes como estos en todo el país o el mundo, su rendimiento relativo estaría, por primera vez, limitado por los efectos gravitacionales de la Tierra ".
Los físicos dicen que ahora que tenemos un reloj cuya precisión es mayor que el efecto gravitacional en el tiempo, podemos usar el reloj para medir la forma gravitacional de la Tierra. La forma habitual de medir la forma gravitacional de la Tierra es midiendo sus mareas. Se utilizan medidores de mareas colocados en todo el mundo, pero su precisión es solo de varios centímetros. Los nuevos relojes podrían reducir esa precisión a menos de un centímetro.
De hecho, estos relojes de iterbio se pueden usar para medir mucho más que la forma gravitacional de la Tierra. Se pueden usar para medir el espacio-tiempo en sí y para detectar ondas gravitacionales del universo primitivo. Es posible que incluso puedan medir la materia oscura. En este nivel de precisión y precisión, este instrumento es mucho más que un simple reloj.
No es solo la gravedad la que puede afectar a un reloj como el reloj de iterbio. Otros efectos ambientales pueden alterar la precisión del dispositivo. Deben mantenerse refrigerados y deben aislarse de cualquier campo eléctrico perdido. Los nuevos relojes están protegidos de los efectos eléctricos y térmicos para que puedan contabilizarse y corregirse.
Con mejoras como el blindaje eléctrico y térmico, los físicos están construyendo relojes de iterbio portátiles que pueden transportarse a diferentes laboratorios para medir y comparar otros relojes. También podrían trasladarse a otros lugares para estudiar técnicas de geodesia relativista. Esto sería un cambio de juego, porque actualmente, nuestros mejores relojes atómicos son del tamaño de una habitación, los llamados "relojes fuente" que usan el átomo de cesio para definir el segundo.
Pero todo eso podría estar a punto de cambiar con los nuevos relojes.
Los relojes atómicos anteriores se basan en el elemento cesio, que hasta ahora proporcionaba el cronometraje más preciso disponible. La vibración del átomo de cesio se ha utilizado desde la década de 1960 para definir la duración de un solo segundo en el Sistema Internacional de Unidades (ISU). Pero con el desarrollo del reloj de iterbio, el tiempo del cesio podría haber terminado.
El primer reloj de cesio fue construido en 1955, y desde entonces ha sido el estándar de oro. La definición oficial de la segunda, si está interesado, ha estado en uso desde 1967. Dice: “La segunda es la duración de 9 192 631 770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre los dos niveles hiperfinos del suelo. estado del átomo de cesio 133 ". Luego, en 1997, aclararon que significaba que el cesio tenía que estar a 0 Kelvin.
Se han construido otros relojes atómicos utilizando rubidio, que puede hacerse portátil. No son tan precisos como el cesio, pero son lo suficientemente buenos para aplicaciones como GPS, estaciones base de telefonía móvil y para controlar la frecuencia de las estaciones de televisión. Pero con el desarrollo del nuevo reloj atómico utilizando el átomo de iterbio, podemos tener lo mejor de ambos mundos: precisión científica y portabilidad sin precedentes.
El nuevo reloj atómico de iterbio es un candidato líder para redefinir la definición de cómo es un segundo. Esto se debe a que cumple con el umbral de precisión definido por el Sistema Internacional de Unidades. Ese organismo dijo que cualquier nueva definición requeriría una mejora de 100 veces en la precisión validada sobre los relojes de cesio que se usan actualmente para definir el segundo.
Solíamos definir el tiempo mediante la rotación de la Tierra, pero hemos recorrido un largo camino desde entonces. Un reloj atómico que usa la tasa de tics de un elemento de tierras raras para medir la forma gravitacional de la Tierra, las ondas gravitacionales del Universo temprano, y tal vez incluso la materia oscura es algo que ningún humano histórico podría haber imaginado cuando clavaron un palo el suelo para hacer un reloj de sol.
- Comunicado de prensa: Los relojes atómicos del NIST ahora mantienen el tiempo suficiente para mejorar los modelos de la Tierra
- Documento de investigación: rendimiento del reloj atómico más allá del límite geodésico
- Noticias del MIT: cronometraje atómico, sobre la marcha
- Wikipedia: reloj atómico
- Wikipedia: estándar de cesio
- Wikipedia: transición de electrones atómicos
