Celadores del tiempo

Entrevista

Joachim Ullrich es presidente del Instituto Federal Físico-Técnico de Braunschweig (Alemania). "Nuestros relojes atómicos son de los más precisos del mundo". El físico nos explica en la entrevista cómo funcionan, qué significa la hora mundial y para qué sirve la precisión de cada segundo con dieciséis fracciones de la unidad.

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.

trends in automation: ¿La configuración de los relojes atómicos utilizados en los satélites es tan compleja como la de los que están instalados en el Instituto Federal Físico-Técnico?

Ullrich: Siguen el mismo principio de funcionamiento, pero son más compactos. Y, además, no necesariamente tienen que ser tan precisos. De todos modos, el sistema de transmisión de datos utilizado hasta ahora provoca ligeras desviaciones. Hoy en día se pueden comprar relojes atómicos para utilizarlos con diversos propósitos. Cuestan entre unos pocos cientos de euros y aproximadamente cien mil euros, suponiendo que se utilicen aquí, en la tierra. Los que se instalan en los satélites son mucho más costosos. Pero gracias a su sofisticada tecnología, funcionan durante muchos años sin necesidad de mantenimiento.

Información de primera mano: entrevista con el Prof. Dr. Joachim H. Ullrich.

Información de primera mano: entrevista con el Prof. Dr. Joachim H. Ullrich.

trends in automation: Dice usted que la tecnología se considera madura. ¿Es posible que, a pesar de ello, falle un reloj atómico como los que están instalados aquí, en el PTB?

Ullrich: En principio, sí es posible, pero tenemos reservas. Tan sólo aquí, en la sede del PTB, tenemos cuatro relojes atómicos primarios que contribuyen a la medición la hora mundial. Y para proveer el tiempo, por ejemplo, para relojes que reciben señales de ondas largas de radio transmitidas a través de la emisora de Mainflingen, cerca de Fráncfort, contamos con otros tres relojes atómicos que, además, coordinan sus tiempos con aquellos instalados en el PTB.

trends in automation: ¿Cómo tienen la seguridad de que los relojes funcionan correctamente en todo el mundo?

Ullrich: Como ya he mencionado, existe lo que se llama hora mundial, válida en los 24 husos horarios. Esta hora se obtiene a partir de cerca de 400 relojes atómicos repartidos por todo el mundo. Se comparan los relojes y se calcula un promedio. Al calcular el promedio, se distingue entre relojes más precisos y otros menos precisos, confiriéndole a cada uno el peso que le corresponde en el cálculo. Al final se controla si el resultado coincide con lo que marcan los mejores relojes del mundo, entre ellos los nuestros en el PTB. El valor que se obtiene de esta manera es publicado como hora mundial por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés), que tiene su sede en Sèvres (cerca de París) desde el año 1875. Este cálculo se hace una vez al mes. Es importante observar que el tiempo de cada reloj atómico considera la altura. Desde Einstein sabemos que el tiempo depende del campo gravitatorio.

trends in automation: ¿Cuánto tiempo seguirá teniendo validez la definición actual del tiempo?

Ullrich: Con seguridad, durante algunos años más. Pero ya se vislumbra la siguiente generación de relojes. Estos relojes ópticos serán, muy posiblemente y como mínimo, cien veces más precisos que los mejores relojes atómicos de hoy. Funcionan según un principio similar. Pero en este caso, la irradiación utilizada para excitar los electrones tiene una frecuencia 100.000 veces mayor y se encuentra en el espectro visible. En vez de utilizar microondas, estos relojes ópticos utilizan rayos láser muy precisos.
En el PTB ya contamos con dos relojes ópticos, que son más o menos diez veces más precisos que nuestros relojes atómicos. En el transcurso de los siguientes años compararemos diversos relojes ópticos instalados en diferentes partes del mundo, para comprobar si funcionan igual y qué diferencias existen entre ellos. Tendremos que esperar los resultados para que se redefina la duración de un segundo de acuerdo con las nuevas tecnologías disponibles.

trends in automation: En estos nuevos desarrollos, ¿qué importancia tiene la cooperación con socios internacionales?

Ullrich: Los expertos en metrología colaboramos estrechamente desde que se firmó el Tratado del Metro en 1875, lo que encuentro muy agradable. Pero, por supuesto, también competimos entre nosotros. A fin de cuentas, cada uno quiere tener el mejor reloj. Y en ese sentido, tenemos bastante éxito. Nuestros relojes atómicos son de los más precisos del mundo. Y en lo que se refiere a los relojes ópticos, estamos compitiendo en buena lid con el National Institute of Standard and Technology (NIST) de los EE. UU.

trends in automation: Por razones profesionales, usted está muy involucrado en el tema. ¿Cómo ha cambiado su percepción personal del tiempo?

Ullrich: Entiendo que el tiempo es un bien muy preciado. Por ello, trato de aprovecharlo óptimamente. Por ejemplo, suelo trabajar en varias cosas a la vez. Todas ellas requieren de gran concentración. Por lo tanto, las voy solucionando por bloques. Y no me gusta que me interrumpan, pues es muy poco eficiente si siempre hay que comenzar de nuevo. Por eso, en esas fases intensas suelo trabajar de madrugada o los fines de semana, para librarme del teléfono móvil y de Internet.
Lo más difícil es compaginar el trabajo con el tiempo que quiero dedicar a mi familia. Pero es posible que ello también se deba a que me gusta mi trabajo, por lo que no lo percibo como una carga. Por eso, de vez en cuando me olvido del tiempo.

Prof. Dr. Joachim Ullrich

Joachim Ullrich es presidente del instituto alemán de metrología de Braunschweig (PTB) desde 2012. Antes fue director del Instituto Max-Planck de Física Nuclear de Heidelberg, donde estuvo a cargo del departamento de Dinámica Cuántica Multipartícula Experimental. No solamente tiene una gran reputación internacional como presidente del PTB, sino también como experto en física cuántica y, además, por realizar experimentos de rayos láser de electrones libres, por ejemplo en el DESY de Hamburgo o en el SLAC National Accelator Laboratory de Stanford, EE.UU. En reconocimiento a su trabajo, recibió varios premios, entre ellos el premio Gottfried-Wilhelm-Leibniz de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, así como el premio de investigación Philipp Morris.

https://www.ptb.de/cms/en.html

  1. Este artículo fue publicado en la revista para clientes de Festo trends in automation 2.2013
  2. Imágenes: Estudio fotográfico Bierwagen

septiembre 2013

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