Tendencias Científicas
La rotación de la Tierra ha constituido desde siempre un reloj natural frente al cual debían cotejarse todos los relojes mecánicos o artificiales, desde el simple reloj de péndulo hasta los relojes atómicos más modernos. En el año 1900, el “segundo” fue definido, en términos de la rotación de Tierra, como la unidad de tiempo equivalente a la fracción 1/86.400 de la longitud media del día (86.400 es la cantidad de segundos que hay en 24 horas).
No obstante, la rotación de la Tierra no es un reloj absolutamente exacto. Aunque de manera muy lenta, el ritmo marcado por este reloj natural varía. Diferentes fenómenos físicos se combinan para producir esta variación. Los dos más relevantes son la atracción gravitatoria de la Luna sobre la masa de agua de los océanos y mares de la Tierra (que provoca las mareas), y la fusión de los glaciares.
La fricción generada por el movimiento de las mareas domina como factor de frenado de la rotación terrestre. Por otra parte, bajo la influencia de la gravedad, las masas de hielo derretido de los glaciares son arrastradas desde zonas altas hacia zonas más bajas, lo que provoca un aumento muy ligero de la velocidad de rotación de la Tierra. La incertidumbre para predecir cuándo se derretirán esas masas de hielo constituye una dificultad a la hora de estudiar la variación de la rotación de la Tierra.
Un nuevo patrón de medida
Hasta mediados del siglo XX, para determinar el patrón de medida del tiempo se utilizaba el periodo de rotación de la Tierra sobre su eje con relación a las estrellas. Se mantuvo esta práctica, aunque desde finales del XVIII se sospechaba que dicha rotación no era enteramente uniforme.
En 1949, los físicos desarrollaron el primer tipo de reloj atómico, basado en un patrón de medida mucho más preciso y estable: la frecuencia de resonancia natural de un átomo, es decir, la oscilación periódica entre dos de sus estados de energía. En 1967 el “segundo” fue definido por acuerdo internacional como “la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133”.
Actualmente se adopta como patrón para el denominado Tiempo Universal Coordinado, un promedio de las horas marcadas por aproximadamente 200 relojes de cesio instalados en 55 lugares diferentes del mundo, consiguiendo una precisión mejor de un nanosegundo (una mil millonésima fracción de segundo) por día.
Segundos adicionales
El desafío más grande para sincronizar la marcha de los relojes atómicos con la marcha del reloj terrestre es que la Tierra no varía su ritmo de rotación de manera regular. Para mantener la sincronización entre el reloj asociado a la rotación Tierra y los relojes atómicos, los expertos han acordado introducir un segundo adicional cada pocos años en el estándar oficial atómico del Tiempo Universal Coordinado. Desde 1972 se ha introducido este segundo adicional en 23 ocasiones.
Como la variación de la rotación de la Tierra no es perfectamente predecible de un año para otro, la introducción del segundo adicional es anunciada sólo con una antelación de 6 meses. Esto supone una preocupación para los diseñadores de software, para los operadores de los sistemas de satélites y para cualquiera que se relacione con sistemas de comunicación e información que trabajen sobre fracciones de segundo, ya que 6 meses es poco tiempo de previsión para la actualización de equipos que requieren una información de tiempo exacta. Algunas aplicaciones, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), utilizan escalas de tiempo que no tienen en cuenta la introducción de los segundos adicionales.
El baile de los segundos adicionales
Para estudiar como varía la rotación de la Tierra la NASA y el Observatorio Naval de Estados Unidos utilizan una red de radiotelescopios orientada con precisión hacia unos 600 cuásares, los faros naturales que brillan en los centros de galaxias lejanas. Como la Tierra reduce su velocidad de rotación, las posiciones de esos cuásares parecen cambiar ligeramente con el tiempo. Los radiotelescopios pueden analizar este cambio aparente sobre un periodo de unas pocas semanas.
Usando estos datos, el Servicio Internacional de Rotación Terrestre y de Sistema de Referencia determina cuándo el retardo es lo bastante grande como para necesitar la introducción de un segundo adicional. Este Servicio no decidirá hasta el próximo mes de junio si los sistemas de medición del tiempo tendrán que insertar un segundo adicional a finales de 2006.
Entre las cuestiones que debaten actualmente los estudiosos de la medición del tiempo está la de que no haya ningún modo estándar de introducir los segundos adicionales. Por lo general, el segundo adicional se introduce como el segundo número 61 de un minuto, pero hay casos de software y de relojes digitales que no lo hacen de este modo, sino que permanecen en blanco durante un segundo, o bien leen dos veces el segundo número 60 o permanecen durante dos segundos en el segundo número 0. Estas diferencias en el modo de introducir el segundo adicional generan, además de confusión, la probabilidad de errores en los dispositivos.
No obstante, la rotación de la Tierra no es un reloj absolutamente exacto. Aunque de manera muy lenta, el ritmo marcado por este reloj natural varía. Diferentes fenómenos físicos se combinan para producir esta variación. Los dos más relevantes son la atracción gravitatoria de la Luna sobre la masa de agua de los océanos y mares de la Tierra (que provoca las mareas), y la fusión de los glaciares.
La fricción generada por el movimiento de las mareas domina como factor de frenado de la rotación terrestre. Por otra parte, bajo la influencia de la gravedad, las masas de hielo derretido de los glaciares son arrastradas desde zonas altas hacia zonas más bajas, lo que provoca un aumento muy ligero de la velocidad de rotación de la Tierra. La incertidumbre para predecir cuándo se derretirán esas masas de hielo constituye una dificultad a la hora de estudiar la variación de la rotación de la Tierra.
Un nuevo patrón de medida
Hasta mediados del siglo XX, para determinar el patrón de medida del tiempo se utilizaba el periodo de rotación de la Tierra sobre su eje con relación a las estrellas. Se mantuvo esta práctica, aunque desde finales del XVIII se sospechaba que dicha rotación no era enteramente uniforme.
En 1949, los físicos desarrollaron el primer tipo de reloj atómico, basado en un patrón de medida mucho más preciso y estable: la frecuencia de resonancia natural de un átomo, es decir, la oscilación periódica entre dos de sus estados de energía. En 1967 el “segundo” fue definido por acuerdo internacional como “la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133”.
Actualmente se adopta como patrón para el denominado Tiempo Universal Coordinado, un promedio de las horas marcadas por aproximadamente 200 relojes de cesio instalados en 55 lugares diferentes del mundo, consiguiendo una precisión mejor de un nanosegundo (una mil millonésima fracción de segundo) por día.
Segundos adicionales
El desafío más grande para sincronizar la marcha de los relojes atómicos con la marcha del reloj terrestre es que la Tierra no varía su ritmo de rotación de manera regular. Para mantener la sincronización entre el reloj asociado a la rotación Tierra y los relojes atómicos, los expertos han acordado introducir un segundo adicional cada pocos años en el estándar oficial atómico del Tiempo Universal Coordinado. Desde 1972 se ha introducido este segundo adicional en 23 ocasiones.
Como la variación de la rotación de la Tierra no es perfectamente predecible de un año para otro, la introducción del segundo adicional es anunciada sólo con una antelación de 6 meses. Esto supone una preocupación para los diseñadores de software, para los operadores de los sistemas de satélites y para cualquiera que se relacione con sistemas de comunicación e información que trabajen sobre fracciones de segundo, ya que 6 meses es poco tiempo de previsión para la actualización de equipos que requieren una información de tiempo exacta. Algunas aplicaciones, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), utilizan escalas de tiempo que no tienen en cuenta la introducción de los segundos adicionales.
El baile de los segundos adicionales
Para estudiar como varía la rotación de la Tierra la NASA y el Observatorio Naval de Estados Unidos utilizan una red de radiotelescopios orientada con precisión hacia unos 600 cuásares, los faros naturales que brillan en los centros de galaxias lejanas. Como la Tierra reduce su velocidad de rotación, las posiciones de esos cuásares parecen cambiar ligeramente con el tiempo. Los radiotelescopios pueden analizar este cambio aparente sobre un periodo de unas pocas semanas.
Usando estos datos, el Servicio Internacional de Rotación Terrestre y de Sistema de Referencia determina cuándo el retardo es lo bastante grande como para necesitar la introducción de un segundo adicional. Este Servicio no decidirá hasta el próximo mes de junio si los sistemas de medición del tiempo tendrán que insertar un segundo adicional a finales de 2006.
Entre las cuestiones que debaten actualmente los estudiosos de la medición del tiempo está la de que no haya ningún modo estándar de introducir los segundos adicionales. Por lo general, el segundo adicional se introduce como el segundo número 61 de un minuto, pero hay casos de software y de relojes digitales que no lo hacen de este modo, sino que permanecen en blanco durante un segundo, o bien leen dos veces el segundo número 60 o permanecen durante dos segundos en el segundo número 0. Estas diferencias en el modo de introducir el segundo adicional generan, además de confusión, la probabilidad de errores en los dispositivos.
Reloj atómico de la Nasa.
Diferentes opiniones
La introducción de segundos adicionales “es como pasear a lo largo de la falla de San Andrés", comenta en Science News Tom Van Baak, un estudioso de la precisión en las medida del tiempo de Bellevue, Washington, “parece una acción inofensiva, pero existe un potencial para la catástrofe que acecha bajo la superficie”.
Un error al introducir un segundo adicional podría provocar graves problemas si se trata de la escala de tiempo que rige el comercio y la economía mundiales, los sistemas de guía de misiles o la orientación del Telescopio Espacial. Un error de 1 sólo segundo en el funcionamiento de las redes energéticas podría traer consigo, por ejemplo, un apagón generalizado, señala Daniel Kleppner, director del Centro de Átomos Ultrafríos del Instituto Tecnológico de Massachussets – Universidad de Harvard, en el número de marzo de la revista Physics Today.
A medida que el ritmo de rotación de la Tierra continúe disminuyendo, los segundos adicionales tendrán que introducirse de manera más frecuente. Como afirma Dennis McCarthy, un especialista en la medición del tiempo del Observatorio Naval de Estados Unidos: “La inserción creciente de segundos adicionales llegará a convertirse en un problema para la gente, acostumbrada a una escala de tiempo donde un minuto tiene exactamente 60 segundos”.
Por estas razones, en 2004 un grupo de especialistas norteamericanos, algunos de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, propusieron abolir totalmente la introducción de segundos adicionales. “Dejemos de forzar el tiempo de los relojes atómicos para que coincida con el tiempo del reloj terrestre”, dicen estos científicos, cuya propuesta se encuentra actualmente en fase de estudio.
Posibles problemas
Otros, al contrario, opinan que la abolición de los segundos adicionales provocaría numerosos problemas. Este sería el caso para cientos de observatorios astronómicos si tuviesen que usar una medida de tiempo que no tuviese nada que ver con la rotación de la Tierra, dice el astrónomo Steve Allen de la Universidad de California, Santa Cruz.
Se plantea además una objeción más cercana a nuestra propia experiencia: durante miles de años, todo reloj fue puesto en hora refiriéndose a la posición del Sol en el cielo. Era mañana cuando el Sol se elevaba, y mediodía cuando estaba en lo más alto. Si un reloj no estaba de acuerdo con este fenómeno, debía sincronizarse con el mismo. Si se abandona la inserción de los segundos adicionales, el tiempo medido por los relojes atómicos y el tiempo medido por la rotación de la Tierra llegarán a desfasarse, y el mediodía de un reloj atómico podría corresponder, por ejemplo, a la salida o la puesta del Sol. En el fondo se trata de comprender qué es lo que tradicionalmente nos han dicho los relojes, y qué deberían seguir diciéndonos.
McCarthy y otros científicos proponen que se sigan introduciendo segundos adicionales, pero en intervalos más largos, con el fin de evitar la molestia que ello provoca en importantes sistemas de comunicaciones muy sensibles a la medida del tiempo. Existe además la sugerencia de introducir unos cuantos segundos adicionales una sola vez cada década, anunciándolo con algunos años de antelación. Si la variación de la rotación de la Tierra no se ajustase a lo previsto, la diferencia podría corregirse en la siguiente introducción. También se ha planteado evitar la introducción de segundos adicionales hasta que la diferencia entre los relojes atómicos y la rotación de la Tierra sea de una hora entera, lo que no ocurrirá hasta dentro de 400 años.
La gravitación y la medida del tiempo
Existe, además, otra complicación asociada a la medida precisa del tiempo. La teoría general de la relatividad de Einstein (1916) predice, y los relojes atómicos lo han confirmado, que la gravedad retarda el paso del tiempo (lo que se conoce como “dilatación” del tiempo).
Cuanto mayor es la intensidad local del campo gravitatorio, mayor es el efecto de la dilatación del tiempo. La relación entre la gravedad y la medida del tiempo se hace evidente a medida que los relojes atómicos se vuelven más y más exactos. Desde mediados de los años 50, la precisión de los relojes atómicos se ha multiplicado por diez en cada década.
Considerando la exactitud actual de los relojes atómicos, el efecto de la gravedad sobre la medida del tiempo requiere que los investigadores tomen en consideración incluso la altura de sus laboratorios. “Ya nos resulta necesario tener en cuenta este efecto cuando comparamos relojes instalados en distintas plantas de nuestro edificio”, afirma Donald Sullivan, del Instituto Nacional de Normalización y Técnica (NIST) en Boulder, Colorado.
En última instancia, tal altura debería ser considerada dentro del rango de los centímetros. Esto complica aún más las cosas, dado que la teoría de la gravitación dicta que la altura no sea medida sobre el nivel medio del mar, sino sobre una superficie hipotética (denominada geoide que aproxima la forma y el tamaño de la Tierra, cuyas características varían según el régimen de mareas y la redistribución del agua debida a cambios climáticos.
Un asunto internacional
Todos estos factores dificultan la comparación entre las medidas de relojes atómicos situados en diferentes lugares del mundo. Tal vez una alternativa sea aspirar a un acuerdo internacional para definir la unidad de medida del tiempo en relación a relojes situados en un único lugar del planeta, pese a las dificultades de carácter político implicadas en una decisión de este tipo.
Se espera que las próximas generaciones de relojes atómicos, tales como el máser de hidrógeno y en especial el reloj óptico proporcionen un grado de precisión y estabilidad de una diez billonésima fracción de segundo al día. Una de las razones para desear un elevado nivel de exactitud en la medida del tiempo es que el “segundo” se ha convertido en una unidad fundamental, en función de la cual se definen otras unidades físicas importantes (como el metro, el lumen y el amperio). De ahí que una medición lo más exacta posible del tiempo constituya un factor relevante para el progreso científico.
Mario Toboso es Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de Salamanca y miembro de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión de la Universidad Pontificia Comillas. Editor del Blog Tempus de Tendencias21 y miembro del Consejo Editorial de nuestra revista.
La introducción de segundos adicionales “es como pasear a lo largo de la falla de San Andrés", comenta en Science News Tom Van Baak, un estudioso de la precisión en las medida del tiempo de Bellevue, Washington, “parece una acción inofensiva, pero existe un potencial para la catástrofe que acecha bajo la superficie”.
Un error al introducir un segundo adicional podría provocar graves problemas si se trata de la escala de tiempo que rige el comercio y la economía mundiales, los sistemas de guía de misiles o la orientación del Telescopio Espacial. Un error de 1 sólo segundo en el funcionamiento de las redes energéticas podría traer consigo, por ejemplo, un apagón generalizado, señala Daniel Kleppner, director del Centro de Átomos Ultrafríos del Instituto Tecnológico de Massachussets – Universidad de Harvard, en el número de marzo de la revista Physics Today.
A medida que el ritmo de rotación de la Tierra continúe disminuyendo, los segundos adicionales tendrán que introducirse de manera más frecuente. Como afirma Dennis McCarthy, un especialista en la medición del tiempo del Observatorio Naval de Estados Unidos: “La inserción creciente de segundos adicionales llegará a convertirse en un problema para la gente, acostumbrada a una escala de tiempo donde un minuto tiene exactamente 60 segundos”.
Por estas razones, en 2004 un grupo de especialistas norteamericanos, algunos de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, propusieron abolir totalmente la introducción de segundos adicionales. “Dejemos de forzar el tiempo de los relojes atómicos para que coincida con el tiempo del reloj terrestre”, dicen estos científicos, cuya propuesta se encuentra actualmente en fase de estudio.
Posibles problemas
Otros, al contrario, opinan que la abolición de los segundos adicionales provocaría numerosos problemas. Este sería el caso para cientos de observatorios astronómicos si tuviesen que usar una medida de tiempo que no tuviese nada que ver con la rotación de la Tierra, dice el astrónomo Steve Allen de la Universidad de California, Santa Cruz.
Se plantea además una objeción más cercana a nuestra propia experiencia: durante miles de años, todo reloj fue puesto en hora refiriéndose a la posición del Sol en el cielo. Era mañana cuando el Sol se elevaba, y mediodía cuando estaba en lo más alto. Si un reloj no estaba de acuerdo con este fenómeno, debía sincronizarse con el mismo. Si se abandona la inserción de los segundos adicionales, el tiempo medido por los relojes atómicos y el tiempo medido por la rotación de la Tierra llegarán a desfasarse, y el mediodía de un reloj atómico podría corresponder, por ejemplo, a la salida o la puesta del Sol. En el fondo se trata de comprender qué es lo que tradicionalmente nos han dicho los relojes, y qué deberían seguir diciéndonos.
McCarthy y otros científicos proponen que se sigan introduciendo segundos adicionales, pero en intervalos más largos, con el fin de evitar la molestia que ello provoca en importantes sistemas de comunicaciones muy sensibles a la medida del tiempo. Existe además la sugerencia de introducir unos cuantos segundos adicionales una sola vez cada década, anunciándolo con algunos años de antelación. Si la variación de la rotación de la Tierra no se ajustase a lo previsto, la diferencia podría corregirse en la siguiente introducción. También se ha planteado evitar la introducción de segundos adicionales hasta que la diferencia entre los relojes atómicos y la rotación de la Tierra sea de una hora entera, lo que no ocurrirá hasta dentro de 400 años.
La gravitación y la medida del tiempo
Existe, además, otra complicación asociada a la medida precisa del tiempo. La teoría general de la relatividad de Einstein (1916) predice, y los relojes atómicos lo han confirmado, que la gravedad retarda el paso del tiempo (lo que se conoce como “dilatación” del tiempo).
Cuanto mayor es la intensidad local del campo gravitatorio, mayor es el efecto de la dilatación del tiempo. La relación entre la gravedad y la medida del tiempo se hace evidente a medida que los relojes atómicos se vuelven más y más exactos. Desde mediados de los años 50, la precisión de los relojes atómicos se ha multiplicado por diez en cada década.
Considerando la exactitud actual de los relojes atómicos, el efecto de la gravedad sobre la medida del tiempo requiere que los investigadores tomen en consideración incluso la altura de sus laboratorios. “Ya nos resulta necesario tener en cuenta este efecto cuando comparamos relojes instalados en distintas plantas de nuestro edificio”, afirma Donald Sullivan, del Instituto Nacional de Normalización y Técnica (NIST) en Boulder, Colorado.
En última instancia, tal altura debería ser considerada dentro del rango de los centímetros. Esto complica aún más las cosas, dado que la teoría de la gravitación dicta que la altura no sea medida sobre el nivel medio del mar, sino sobre una superficie hipotética (denominada geoide que aproxima la forma y el tamaño de la Tierra, cuyas características varían según el régimen de mareas y la redistribución del agua debida a cambios climáticos.
Un asunto internacional
Todos estos factores dificultan la comparación entre las medidas de relojes atómicos situados en diferentes lugares del mundo. Tal vez una alternativa sea aspirar a un acuerdo internacional para definir la unidad de medida del tiempo en relación a relojes situados en un único lugar del planeta, pese a las dificultades de carácter político implicadas en una decisión de este tipo.
Se espera que las próximas generaciones de relojes atómicos, tales como el máser de hidrógeno y en especial el reloj óptico proporcionen un grado de precisión y estabilidad de una diez billonésima fracción de segundo al día. Una de las razones para desear un elevado nivel de exactitud en la medida del tiempo es que el “segundo” se ha convertido en una unidad fundamental, en función de la cual se definen otras unidades físicas importantes (como el metro, el lumen y el amperio). De ahí que una medición lo más exacta posible del tiempo constituya un factor relevante para el progreso científico.
Mario Toboso es Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de Salamanca y miembro de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión de la Universidad Pontificia Comillas. Editor del Blog Tempus de Tendencias21 y miembro del Consejo Editorial de nuestra revista.
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El tiempo se diluye en el universo cuántico
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