trends in automation: Profesor Ullrich, el Instituto Federal Físico-Técnico es conocido por la precisión de sus relojes. En ese sentido, es un instituto especializado en el tiempo. Pero, ¿qué es el tiempo?

Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: Esa es una pregunta compleja. Nosotros, los físicos, no nos complicamos la vida y definimos el tiempo a través de procesos previsibles y recurrentes. Por ejemplo, la rotación de la tierra o el movimiento de un péndulo. Albert Einstein, ganador del premio Nobel y miembro del patronato del PTB, es el autor de esa pragmática definición. Por lo tanto, para nosotros, el tiempo es lo que indica el reloj. Sin embargo, desde Einstein también sabemos que el tiempo es relativo. Por ejemplo, que transcurre más lentamente si estamos en movimiento o si nos encontramos en un campo gravitatorio. Además, también es relativa la percepción que tiene el ser humano del tiempo. Y volviendo a interpretar libremente a Einstein: estar acompañado de una mujer bella durante dos minutos nos puede parecer un tiempo muy corto, pero si nos encontramos sobre brasas calientes durante dos minutos, nos parecerá una eternidad.
Además, existen muchas preguntas aún sin respuesta. Por ejemplo, si el tiempo tiene un comienzo y un final. O, también, cuánto dura el presente según la percepción humana. Otros temas interesantes y de actualidad para la ciencia son el reloj biológico y, también, la relación que con el tiempo tienen diversas culturas.

trends in automation: ¿Cómo puede medirse el tiempo?

Ullrich: Por ejemplo, con un péndulo. Cuanto más corto es el péndulo, tanto más rápidamente oscila, y tanto más precisamente permite medir el tiempo. Los relojes de cuarzo son más precisos. En ellos se aplica tensión eléctrica para activar un cristal de cuarzo. Este cristal vibra más de 30.000 veces por segundo. Actualmente, los relojes más precisos son los relojes atómicos, aunque sus átomos no vibran. En vez de ello se recurre a la irradiación electromagnética o, para ser más precisos, a microondas. La vibración es mucho mayor que la de los cristales de cuarzo. Concretamente, nueve mil millones de veces por segundo. Las microondas se utilizan para excitar electrones de átomos de cesio. Pero como el sistema únicamente funciona si la irradiación tiene una frecuencia determinada, podemos definir el valor de un segundo y determinarlo con la máxima precisión.
Se sobreentiende que siempre debemos verificar si la frecuencia es la correcta y si los electrones efectivamente se excitan. Con ese fin, enviamos chorros horizontales de átomos de cesio a través de campos magnéticos y de microondas. A continuación, utilizando un detector posicionado ingeniosamente, contamos únicamente los átomos con electrones excitados. En el caso de nuestros dos relojes más precisos, la disposición es diferente. En ellos, los átomos de cesio se lanzan verticalmente, desde abajo hacia arriba como una fuente, a través del campo de microondas. Y al caer, vuelven a atravesar el campo. Con estos relojes atómicos podemos definir un segundo con una precisión expresada un número de 16 dígitos.

trends in automation: Es evidente que no es necesario que un reloj de pulsera o el reloj de una estación de tren tengan esa precisión. ¿De qué sirve tanta precisión?

Ullrich: Las imprecisiones se suman relativamente rápido. Por lo tanto, únicamente podemos garantizar un alto grado de precisión a largo plazo utilizando relojes muy exactos. Además, en la ciencia es importante disponer de sistemas muy precisos para medir el tiempo. Uno de los temas centrales del Instituto Federal Físico-Técnico es, por ejemplo, determinar si las constantes de la naturaleza, entre ellas, por ejemplo, la velocidad de la luz o la constante de Planck, son realmente constantes. Hay indicios que nos hacen suponer que no lo son. Si no lo fueran, surgirían muchas dudas, porque numerosas leyes y modelos de la física se basan en constantes de la naturaleza. Los científicos ya experimentaron en carne propia en la década de los años treinta cómo pueden derrumbarse suposiciones creídas incuestionables, si se llevan cabo mediciones realmente precisas. En aquellos tiempos, el segundo todavía se definía como fracción de la rotación de la tierra. En aquella década empezaron a funcionar aquí, en el PTB, los relojes de cuarzo más precisos de la época. Fue entonces cuando los científicos constataron que el giro de la tierra es cada vez más lento y, además, que es irregular, echando por tierra la suposición de su giro siempre constante, que había sido el criterio que se utilizó para definir la unidad del tiempo.

trends in automation: ¿Existen también aplicaciones prácticas para relojes atómicos?

Ullrich: Se han instalado relojes atómicos, por ejemplo, en los satélites del sistema GPS estadounidense o en el sistema GPS GLONASS ruso, y también se utilizan en los primeros satélites del sistema Galileo europeo. Estos sistemas detectan posiciones calculando el tiempo de transmisión de las señales entre un satélite y la tierra, por lo que los relojes deben ser sumamente precisos. También los especialistas en mediciones geodésicas tienen la intención de utilizar para sus mediciones los relojes que se encuentran en el espacio. De esta manera podrán medir de manera muy precisa la posición relativa de dos satélites, y considerando los cambios de esas posiciones y el campo gravitatorio de la tierra, realizarán un trabajo cartográfico completo de la tierra. Efectuando mediciones similares en la tierra, aunque utilizando relojes aún más precisos, será posible detectar cambios de la masa de nuestro planeta. La detección de esos cambios podrá aprovecharse para hallar yacimientos minerales. En esos temas estamos trabajando junto con muchos otros científicos que colaboran en el proyecto Exzellenz-Cluster QUEST de la universidad Leibniz de Hannover.