Una roca es un reloj

Artículo publicado el 10 de enero de 2013 en SINC

Investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) han creado un nuevo reloj atómico que puede medir el tiempo con la masa de un átomo, y viceversa. El desarrollo de este dispositivo, cuyo mecanismo se presenta esta semana en la revista Science, puede ayudar a definir mejor el concepto de kilogramo.

“Por así decirlo, una roca es un reloj”, señala Holger Müller, un profesor de la Universidad de California-Berkeley (EEUU) preocupado desde niño por saber lo que realmente es el tiempo. Ahora, junto a otros colegas de su universidad, acaba de fabricar un reloj que asocia el tiempo a la masa de una partícula.

Usar la masa para medir el tiempo y viceversa

Medir el tiempo usando la masa, y viceversa Crédito: Pei-Chen Kuan.


Los investigadores han materializado la hipótesis del físico francés Louis-Victor de Broglie, que ya en 1924 planteó que la materia, además de su característica corpuscular, también puede actuar como una onda.

Construir un reloj de materia parecía imposible, ya que la frecuencia –denominada de Compton– de esas ondas de materia se consideraba casi imposible de observar, o aunque se pudiera, las oscilaciones serían demasiado rápidas para medirlas.

“En un reloj de pared hay un péndulo y un mecanismo que puede contar sus oscilaciones, pero no había manera de hacer un reloj de ondas de materia, ya que su frecuencia de oscilación es 10 000 millones de veces más alta que, incluso, las oscilaciones de la luz visible”, comenta Müller.

Sin embargo, el equipo lo ha conseguido gracias a los dos aparatos con los que ha construido su reloj: un interferómetro –instrumento que usa la interferencia de las ondas para medir las longitudes de onda– y un ‘peine’ de frecuencias. Con ellos han podido jugar con las variables de la frecuencia de Compton (w=mc2/h, donde m es la masa, c la velocidad de la luz y h la constante de Planck) en un átomo de cesio.

Como, según la teoría de la relatividad, el tiempo se ralentiza para los objetos en movimiento, el átomo de cesio que se aleja y vuelve es más ‘joven’ que el que se queda parado. Es decir, la onda de materia del cesio viajero oscila menos veces. Así, midiendo las ínfimas diferencias de frecuencia –del orden de 3×1025– se puede calcular el tiempo.

“Nuestro reloj tiene una precisión de siete partes por cada mil millones”, explica Müller, quien reconoce que esto todavía es cien millones de veces menos de lo que ofrecen los mejores relojes atómicos actuales, que usan iones de aluminio.

Mejores relojes y patrones atómicos

“Pero las mejoras en nuestra técnica pueden impulsar la precisión de los relojes atómicos, incluidos los de cesio que hoy se emplean para definir el segundo”, añade el investigador.

Además de poder medir el tiempo con la masa, el estudio plantea lo contrario: deducir la masa conociendo el tiempo de las oscilaciones. Es otra de las ventajas de utilizar la ecuación de Compton.

De esta forma, el trabajo –que publica Science esta semana– también puede ayudar en el futuro a definir mejor el concepto de kilogramo, que se podría relacionar con una unidad de tiempo como el segundo.

En la actualidad la masa de referencia del kilogramo es un cilindro de platino e iridio que se custodia en una caja fuerte en Francia, con copias exactas repartidas por todo el mundo. La de Reino Unido se hecho popular recientemente porque se ha detectado que ha ‘engordado’ unos microgramos. Para evitar desviaciones como esta, la Conferencia General de Pesos y Medidas trata de sustituir este kilogramo estándar por otro basado en una medida física de mayor precisión.

En este sentido se plantea la propuesta del equipo para hacer un nuevo patrón de masa en función del tiempo, junto a otras alternativas como el uso de la denominada esfera de Avogadro, un cristal muy puro de silicio del que se conoce con precisión su número de átomos.

“Nuestro reloj y las mejores esferas de Avogadro actuales pueden facilitar la nueva definición de kilogramo”, dice Müller, que resume: “Conocer el tictac de nuestro reloj es equivalente a conocer la masa de la partícula, y una vez que sabes la masa de un átomo, puedes relacionarla con las masas de los demás”.


Referencia bibliográfica: S.-Y. Lan; P.-C. Kuan; B. Estey; D. English; J.M. Brown; M.A. Hohensee; H. Müller; H. Müller. “A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass”. Science, 10 de enero de 2013.

Fecha Original: 10 de enero de 2013
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Comment (1)

  1. Es un comienzo, un nuevo camino para poder llegar a la perfección que ahora, como nos dicen aquí mismo, descansa en el reloj de Cesio. Sin embargo, es bueno que se busquen nuevos caminos intentando pefeccionar lo que ya tenemos.

    Hemos inventado éstas medidas de tiempo para controlar nuestras actividades cotidianas y nuestras vidas. La medida de tiempo elegida por el momento, es el segundo que, en las unidades del SI tiene el símbolo s y su duración es igual a la duración de:

    hertzios = 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

    Reloj atómico cuyo funcionamiento se basa en la diferencia de energía entre dos estados del núcleo de cesio-133 cuando se sitúa en un campo magnético. En un tipo, los átomos de cesio-133 son irradiados con radiación de radiofrecuencia, cuya frecuencia es elegida para corresponder a la diferencia de energía entre dos estados. Algunos núcleos de cesio absorben esta radiación y son excitados al nivel superior.

    Estos átomos son desviados por otro campo magnético, que hace que choquen contra un detector. Una señal de ese detector es llevada al oscilador de radio frecuencia para evitar que se desplace de la frecuencia de resonancia de la que indicamos antes del orden de 9 192 631 770 hertzios. De este modo, el instrumento está fijado a esta frecuencia con una precisión mejor que una parte en 1013 (algo mayor que Tera -T-). Así, el reloj de cesio es utilizado en la definición del segundo en el SI.

    Como podemos ver aquí mismo todos los días, la imaginación humana no tiene límites, y, si nos dan el “tiempo” suficiente, ¿quien sabe hasta donde podremos llegar?

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