La ciencia podría estar acercándose a una nueva generación de relojes capaces de medir el tiempo con una precisión extraordinaria. Investigadores de Europa y China trabajan en los primeros relojes nucleares, una tecnología que utiliza las propiedades del núcleo de los átomos en lugar de depender únicamente del comportamiento de sus electrones.
Estos dispositivos todavía se encuentran en una etapa experimental y no han superado en todos los aspectos a los relojes atómicos más avanzados. Sin embargo, los científicos consideran que podrían convertirse en herramientas fundamentales para realizar mediciones de enorme precisión y estudiar algunos de los mayores interrogantes de la física.
Una nueva forma de medir el tiempo
Los relojes atómicos actuales funcionan utilizando las transiciones energéticas de los electrones. Los nuevos relojes nucleares, en cambio, aprovechan los cambios de energía que ocurren dentro del propio núcleo atómico.
El proyecto europeo, desarrollado por científicos de Austria y Alemania, consiguió una precisión aproximada de 10^-15. De acuerdo con los investigadores, ese nivel de exactitud equivaldría a un desfase de alrededor de un segundo después de unos 30 millones de años.
Thorsten Schumm, investigador de la Universidad Tecnológica de Viena, explicó que este resultado representa principalmente una demostración de que la tecnología es viable. El objetivo de los investigadores es perfeccionarla para conseguir mediciones todavía más precisas en el futuro.
El torio-229, protagonista de los experimentos
Tanto el equipo europeo como un grupo de investigadores de China utilizaron torio-229 para desarrollar sus dispositivos.
Este isótopo resulta especialmente interesante porque su núcleo posee dos estados de energía que pueden utilizarse para establecer una referencia extremadamente estable. Cuando se aplica un láser con las características adecuadas, es posible detectar la transición entre ambos estados y utilizarla como una especie de “marcador” del tiempo.
Los prototipos emplean enormes cantidades de núcleos de torio incorporados en un cristal de fluoruro de calcio. Según la información disponible, se trata de aproximadamente un cuatrillón de núcleos, una cantidad equivalente a un 1 seguido de 15 ceros.
¿Por qué utilizar el núcleo?
Una de las principales ventajas que estudian los científicos es que el núcleo atómico resulta menos vulnerable a determinadas perturbaciones externas que los electrones.
Los electrones pueden verse afectados por campos eléctricos y otras influencias del entorno. El núcleo, en cambio, está dominado por fuerzas mucho más intensas, entre ellas la interacción nuclear fuerte, responsable de mantener unidos a protones y neutrones.
Esta característica podría ayudar a reducir algunas fuentes de incertidumbre que limitan actualmente las mediciones de tiempo de máxima precisión.
La idea forma parte de una evolución que ha acompañado a la relojería durante siglos: cuanto más estable y rápida sea la referencia utilizada para contar el tiempo, mayor puede ser la precisión de la medición.
El segundo todavía se define con cesio
A pesar de los avances, los relojes nucleares todavía no han reemplazado a los sistemas que se utilizan actualmente como referencia internacional.
La definición oficial del segundo continúa basada en una transición del cesio-133, establecida exactamente en 9,192,631,770 periodos de una determinada radiación.
Los relojes atómicos modernos ya son capaces de alcanzar niveles de precisión extraordinarios. Por ello, el objetivo de los relojes nucleares no consiste simplemente en crear un aparato que indique mejor la hora, sino en desarrollar una herramienta científica capaz de detectar cambios extremadamente pequeños en las propiedades de la naturaleza.
Una herramienta para buscar nueva física
La verdadera importancia de esta tecnología podría encontrarse en la investigación científica.
Las frecuencias utilizadas por los relojes dependen de propiedades fundamentales de los átomos y de las fuerzas que actúan sobre ellos. Si los investigadores consiguen realizar mediciones cada vez más exactas, podrían comparar los resultados experimentales con las predicciones de las teorías físicas actuales.
Una diferencia persistente entre ambos resultados podría proporcionar pistas sobre fenómenos que todavía no han sido explicados, como determinadas propiedades de la materia oscura, nuevas interacciones fundamentales o posibles violaciones de algunas simetrías físicas.
En ese sentido, un reloj nuclear podría funcionar no solo como instrumento para medir el tiempo, sino también como una herramienta para poner a prueba las leyes fundamentales del universo.
Aplicaciones que van más allá de la ciencia
Aunque una precisión de este nivel resulta innecesaria para actividades cotidianas, las mediciones extremadamente exactas del tiempo tienen aplicaciones importantes.
Los sistemas de posicionamiento global, las telecomunicaciones, la navegación espacial y determinadas operaciones financieras y de defensa dependen de referencias temporales de gran precisión.
Daniel de Mercado, investigador del Centro Español de Metrología, ha señalado que la vida diaria no requiere conocer la hora con una exactitud de millones o miles de millones de años. Sin embargo, en determinadas áreas científicas y tecnológicas, incluso una pequeña mejora en la medición puede tener consecuencias importantes.
Una tecnología todavía en desarrollo
Los primeros resultados demuestran que los relojes nucleares son técnicamente posibles, pero todavía queda un largo camino antes de que puedan convertirse en instrumentos de uso generalizado.
Especialistas de distintos países estudian actualmente cómo mejorar su estabilidad, reducir las fuentes de error y aprovechar las características particulares del núcleo atómico.
El potencial de estos dispositivos ha despertado un gran interés dentro de la comunidad científica. Si las investigaciones logran llevar su precisión mucho más allá de los resultados actuales, los relojes nucleares podrían convertirse en una nueva referencia para la metrología y, al mismo tiempo, en una herramienta para explorar aspectos de la física que todavía permanecen sin resolver.