El segundo cambiará de definición hacia 2030: así funcionan los relojes ópticos

Desde 1967, un segundo es exactamente lo que tarda un átomo de cesio-133 en oscilar 9.192.631.770 veces entre dos niveles de energía. Aquella definición sacó al tiempo del cielo —hasta entonces el segundo era una fracción del día o del año— y lo metió en un laboratorio, donde no depende de que la Tierra frene su rotación. Ha aguantado casi sesenta años. Ahora la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) tiene sobre la mesa una hoja de ruta para jubilarla, con la vista puesta en torno a 2030.

El motivo no es que el cesio falle. Es que ha aparecido algo mucho mejor.

Por qué la luz visible mide el tiempo mejor que las microondas

La idea de un reloj atómico es sencilla: se busca una transición entre dos estados de un átomo que ocurra siempre a la misma frecuencia, y se cuentan las oscilaciones. Cuantas más oscilaciones haya por segundo, más fina es la regla.

La transición del cesio está en el rango de las microondas: unos 9.200 millones de ciclos por segundo. Las transiciones que se usan en los relojes ópticos están en el rango de la luz visible o el ultravioleta cercano, es decir, cientos de billones de ciclos por segundo. Hablamos de unas cien mil veces más marcas en la misma regla. Con marcas más juntas, el error relativo se desploma.

Las cifras dan vértigo. Las mejores fuentes de cesio, que son las que hoy realizan el segundo del sistema internacional, tienen una incertidumbre del orden de una parte en 10¹⁶: se desviarían un segundo en unos trescientos millones de años. Los relojes ópticos punteros —redes de átomos de estroncio o de iterbio atrapados en rejillas de luz láser, iones individuales de aluminio o de iterbio suspendidos en trampas electromagnéticas— han bajado por debajo de una parte en 10¹⁸. A ese nivel, el reloj no perdería un segundo en toda la edad del universo, y le sobraría margen.

Qué hace falta antes de tocar la definición

La Conferencia General de Pesas y Medidas aprobó en 2022 una resolución que fija las condiciones para el relevo. No basta con tener un reloj muy bueno en un sótano de Colorado o de Tokio: hay que demostrar que varios laboratorios, con tecnologías distintas y en continentes distintos, obtienen el mismo resultado.

Y ahí está el cuello de botella real. Comparar dos relojes que erran una parte en 10¹⁸ exige un canal de comparación al menos igual de bueno. Los enlaces por satélite que se usan hoy para sincronizar la hora mundial no llegan: el ruido del canal tapa la calidad de los relojes. La alternativa son enlaces de fibra óptica dedicados, que ya conectan varios institutos europeos, pero que no cubren un océano. Se trabaja también en enlaces ópticos por satélite.

Mientras tanto, varias transiciones ópticas están aceptadas como representaciones secundarias del segundo: se usan, se comparan y se acumulan datos, pero la definición oficial sigue siendo la del cesio. Es un periodo de rodaje deliberado.

Conviene aclarar algo que suele confundirse: el segundo no se va a hacer más largo ni más corto. La redefinición está pensada para que la duración se mantenga idéntica dentro de la incertidumbre actual. Cambia el patrón, no la medida. Es lo mismo que pasó con el kilogramo en 2019, cuando el cilindro de platino de Sèvres cedió su puesto a la constante de Planck sin que nadie tuviera que recalibrar la báscula del baño.

El segundo sostiene casi todo el sistema internacional

El detalle que hace que esto importe fuera de los laboratorios es que el segundo es la unidad más precisa que tenemos, y por eso las demás se apoyan en ella. El metro se define a partir de la velocidad de la luz, que se expresa en metros por segundo. El kilogramo depende de la constante de Planck, cuyas unidades incluyen el segundo. El amperio, el kelvin y la candela arrastran también esa dependencia. Mejorar el segundo tira hacia arriba de buena parte del edificio.

En el terreno práctico, el ejemplo obvio es la navegación por satélite. Un receptor GPS calcula su posición midiendo tiempos de vuelo de señales, y un error de una milmillonésima de segundo se traduce en unos treinta centímetros de error en el suelo. Los satélites ya llevan relojes atómicos y ya aplican correcciones relativistas: sus relojes, más lejos del pozo gravitatorio terrestre pero moviéndose deprisa, se desvían del ritmo del suelo en unas decenas de microsegundos al día. Sin esa corrección, el sistema acumularía kilómetros de error en una jornada.

Un reloj que sirve para medir montañas

Aquí llega la parte contraintuitiva. La relatividad general dice que el tiempo pasa más despacio cuanto más cerca se está de una masa. En la superficie terrestre, subir un metro hace que un reloj adelante en torno a una parte en 10¹⁶. Durante décadas eso fue un efecto teórico, imposible de ver en la práctica cotidiana.

Ya no. En 2010, un equipo del NIST comparó dos relojes de ion de aluminio separados por 33 centímetros de altura y midió la diferencia. En 2020, un grupo japonés llevó dos relojes de estroncio transportables a la torre Tokyo Skytree y midió el desnivel de 450 metros usando solo el ritmo al que corría el tiempo en cada planta.

De ahí sale la geodesia relativista: un reloj lo bastante bueno funciona como un altímetro absoluto con resolución centimétrica, que no necesita ver el mar ni encadenar mediciones desde un punto de referencia lejano. Los sistemas de alturas de distintos países difieren entre sí en decenas de centímetros porque cada uno se ancló a su propio mareógrafo. Una red de relojes ópticos permitiría unificarlos. Y como el nivel del geoide cambia cuando cambia la masa bajo tus pies, los mismos instrumentos sirven para vigilar el llenado de una cámara magmática o el hundimiento de un acuífero sobreexplotado.

Hay una consecuencia doméstica de todo esto que a los físicos les gusta contar: si vives en un tercer piso, envejeces algo más rápido que tu vecino de la planta baja. La diferencia acumulada a lo largo de una vida entera es de unas pocas milmillonésimas de segundo, pero desde 2010 tenemos aparatos capaces de detectarla.