¿Cuánto pesas en segundos?

La civilización moderna sería imposible sin medidas, y las medidas no tendrían sentido si no se utilizaran las mismas unidades de medida en todo el mundo. Durante muchos años (casi 150), los metrólogos de todo el mundo han acordado definiciones estrictas de unidades de medida a través del Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), ubicado en Francia, cerca de París. El BIPM actualmente rige siete unidades básicas que rigen el tiempo, la longitud, la masa, la corriente eléctrica, la temperatura, la intensidad de la luz y la cantidad de materia. Juntas, estas unidades no son más que el lenguaje de la ciencia, la tecnología y el comercio modernos.

Pero los científicos están refinando constantemente estos estándares generalmente aceptados. En 2018 se aprobaron nuevas definiciones de kilogramo (masa), amperio (corriente), kelvin (temperatura) y mol (cantidad de sustancia). Suena fantástico, pero ahora, con la excepción del topo, todos los estándares están sujetos a una cosa: el tiempo. Un metro, por ejemplo, se define como la distancia que recorre la luz en el vacío en 1/299 de segundo. De la misma manera, ahora la definición de un kilogramo se basa en un segundo, y descubrir cómo hacerlo no es tan difícil.

Esto significa que teóricamente, aunque no quedará claro para todos los que te rodean, puedes determinar el peso o la longitud en segundos.

La ciencia no se detiene, ahora decidieron tomarse un segundo y darle una nueva definición, sin embargo, reconociendo que toda la arquitectura de las mediciones globales depende de este valor, prometen no cambiar su duración. ¿Intrigado? Luego, profundicemos en la historia del problema.

Una vez la gente determinaba el tiempo mirando al cielo. Pero desde 1967, los metrólogos acordaron determinar el tiempo midiendo los procesos dentro del átomo, contando, bellamente hablando, el eterno latido del corazón del Universo. Pero el tiempo todavía está estrechamente relacionado con los principios de su medición astronómica. Inicialmente, el tiempo estaba determinado por la trayectoria de la Tierra en su rotación diaria, del día a la noche y viceversa. En algún momento, los astrónomos del antiguo Egipto, usando un sistema de numeración duodecimal (basado en 12), dividieron el día y la noche en 12 horas cada uno, dando 24 horas al día.

Pero las horas diferían en duración dependiendo de dónde estaba la Tierra en su órbita alrededor del Sol. Hace poco más de 2000 años, a los astrónomos griegos que necesitaban valores fijos para calcular, por ejemplo, el movimiento de la luna, se les ocurrió la revolucionaria idea de que un día debía dividirse en 24 horas de igual duración. El mismo pensamiento "astronómico" los llevó a aplicar el antiguo método babilónico de contar hasta 60 (sexagesimal) a los relojes. Así como dividieron los 360 grados del círculo o esfera de la Tierra en 60 partes o minutos, dividieron cada minuto en 60 segundos.

La primera división del día (conocida en latín como partes minutae primae) les daba la duración de un minuto, que era 1/1440 de un día solar medio. La segunda división (partes minutae secundae) les daba la duración -y al mismo tiempo el nombre- de un segundo, que era 1/86 de un día. De hecho, esta definición duró hasta 400.

Pero los problemas no han desaparecido. La tierra desacelera gradualmente su rotación diaria; los días se están alargando un poco, al igual que el segundo astronómico. Estas pequeñas diferencias se suman. Escriben que, basándose en la extrapolación de eclipses históricos y otras observaciones, la Tierra como herramienta para determinar el tiempo (¡como un reloj!) ha perdido más de tres horas en los últimos 2000 años, lo que no es un mal resultado para un cronómetro de pulsera. , pero no apto para un enfoque científico.

Resulta que la unidad de tiempo estándar basada en el cálculo astronómico no es constante, y esta realidad se hizo cada vez más insoportable para los metrólogos en las primeras décadas del siglo pasado, cuando descubrieron lo desigual que era la rotación de la Tierra. Y la ciencia exige constancia y fiabilidad. Al igual que el tiempo, a fines de la década de 1960, la sociedad dependía cada vez más de las frecuencias de radio, lo que requería una sincronización extremadamente precisa.

En la era del átomo, los metrólogos se volvieron hacia el átomo, o mejor dicho, hacia el movimiento mucho más predecible de las partículas atómicas. Los átomos nunca se desgastan ni se ralentizan. Sus propiedades no cambian con el tiempo. Reloj perfecto. Conozca el Cesio-133.

El cesio, un metal plateado y dorado que es líquido a temperatura ambiente, tiene átomos pesados ​​que se mueven lentamente, lo que significa que son relativamente fáciles de rastrear. Los científicos colocaron átomos de cesio en el vacío y los expusieron a energía de microondas en un campo electromagnético invisible. El desafío era descubrir qué longitud de onda o frecuencia haría que la mayor cantidad posible de átomos de cesio emitiera un paquete de luz o un fotón. Los fotones fueron capturados por un detector y contados. Como resultado, la longitud de onda se designó como la frecuencia de resonancia natural del átomo.

Para simplificar, imagina un péndulo. Un péndulo que trabaja en un ritmo único para este tipo de átomo. En el caso del cesio-133, la frecuencia es de 9 ciclos por segundo. La duración del segundo utilizado en el experimento se basó en la duración del día en 192, cuando se llevaron a cabo los experimentos científicos originales. Para 631, los metrólogos de la Oficina de Pesos y Medidas establecieron la frecuencia de resonancia del cesio-77 como la duración oficial del segundo.

A pesar de esta definición basada en el cesio, el tiempo astronómico y el tiempo atómico siguen estando inextricablemente vinculados. En primer lugar, a veces es necesario corregir el tiempo atómico para que coincida con el tiempo astronómico porque la Tierra continúa cambiando su ritmo a un ritmo irregular mientras que el tiempo atómico permanece constante. Cuando el tiempo atómico se vuelve casi un segundo más rápido que el tiempo astronómico, los cronometradores lo detienen por un momento, lo que permite que la Tierra se ponga al día; agregan un segundo adicional por año.

Así, aunque la duración de un segundo no cambia, la duración de un minuto cambia de vez en cuando. Después de agregar inicialmente 10 segundos bisiestos en 1972, los cronometradores ahora agregan un segundo bisiesto al tiempo atómico aproximadamente cada año y medio.

Además, por extraño que parezca, todavía contamos los segundos de la era de 1957, incluso con nuestros relojes atómicos modernos. Esto se debe a que la frecuencia de autorresonancia del cesio-133 se midió en 1957 y se relacionó con la duración del segundo astronómico en ese año, un hecho que no cambiaría incluso si el valor del segundo se redefiniera una vez más.

Pero si es así, ¿por qué la segunda es una nueva definición? Todo es culpa de otro invento científico: un reloj atómico óptico. Funcionan con los mismos principios que un reloj de cesio, pero miden átomos que tienen una frecuencia de resonancia natural mucho más alta (condicionalmente, tictac). Estas frecuencias están en el rango visible u óptico del espectro electromagnético y no en el rango de microondas, de ahí el nombre.

Hay varios tipos de relojes ópticos, cada uno de los cuales cuenta los "ticks" de un solo átomo o ion: iterbio, estroncio, mercurio, aluminio y otros.

¿Por qué, uno se pregunta, necesitamos aún más precisión? En parte porque el tiempo no es él mismo; está relacionado con la gravedad y la masa y está influenciado por ellas. El tiempo (¡fanfarria!) tampoco es constante, aunque uno puede hacer tal suposición, conociendo la existencia de un estándar internacional. La teoría de la relatividad de Albert Einstein, por ejemplo, sugiere que el tiempo se mueve más lentamente cuando está cerca de un cuerpo masivo, como un planeta, porque se ralentiza debido a la gravedad.

Esto significa que si el reloj óptico cambia, aunque sea ligeramente, las condiciones físicas en las que se encuentra el reloj también pueden cambiar. Se dice que la capacidad de leer estos cambios nos permite detectar objetos como la materia oscura u ondas gravitacionales utilizando relojes atómicos ópticos. Horrible, ¿verdad? sigue leyendo

En 2015, los físicos estadounidenses apenas comenzaban a desarrollar sus relojes atómicos ópticos, y estaban desconcertados por el hecho de que los segundos se contaban de manera ligeramente diferente en los relojes ubicados en laboratorios ubicados en diferentes direcciones. ¿Relatividad en acción? ¿Pueden los relojes ópticos responder a pequeños cambios en la gravedad? Ordenaron medir la diferencia de altura entre los laboratorios donde estaba el reloj, porque, como el tiempo, la altura está relacionada con la gravedad y la masa. Los relojes estaban realmente a diferentes alturas. Sus medidas de tiempo ligeramente diferentes recogieron cambios sutiles en el campo gravitatorio. ¡El reloj óptico, que era solo un centímetro más alto que los demás, corrió más rápido!

La predicción de Einstein sobre lo que hacen la masa y la gravedad con el tiempo no es tan increíble. Queda por aprender a usarlo en la práctica.