tiempo propio

Los dos estados del átomo de estroncio son como dos gemelos que corren por la misma pista, pero uno va ligeramente más alto que el otro. Normalmente, la luz que se usa para controlar los átomos empuja a un gemelo con más fuerza y al otro con menos. Aquí se eligió una longitud de onda de 813 nanómetros, 'mágica', en la que ambos reciben el mismo empujón.

Los neutrinos son partículas diminutas que, cada segundo, atraviesan nuestros cuerpos por miles de millones sin tocar ni un solo átomo. Tienen una propiedad misteriosa: en su camino desde el Sol o un acelerador, pueden cambiar de tipo, o "sabor", por ejemplo, de neutrino electrónico a neutrino muónico.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

El universo no es solo un lugar, es un calendario de eventos: qué ocurrió antes y qué después. En la geometría einsteiniana del espacio-tiempo, este calendario a veces se corta.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

El cronómetro más preciso del mundo todavía funciona mirando de reojo a un viejo péndulo. Los máseres de hidrógeno —los mejores «volantes de inercia» de radiofrecuencia (dispositivos que mantienen el ritmo entre las comparaciones con el patrón)— acumulan error porque el ruido entre cuentas se filtra en la señal final.

El asunto del reloj en el universo es delicado. Normalmente, en los cálculos del nacimiento del mundo, el papel de reloj lo desempeña un campo escalar especial — algo así como un fluido invisible que llena todo el espacio. Hace tictac, y los físicos observan cómo cambia el mundo respecto a ese tictac. Pero ese reloj es artificial, se introdujo por comodidad.

Un programa de seguimiento común se asemeja a un navegante que guía un barco por las estrellas. Pero en cuanto el cielo se nubla, las coordenadas empiezan a desviarse y en los datos aumenta la entropía (medida de incertidumbre). El nuevo algoritmo incorpora un «copiloto»: un módulo que monitoriza el nivel de confianza del navegador principal.

La señal urbana rebota entre las paredes como una pelota, y el teléfono capta decenas de sus «reflejos»: el eco. Cada microsegundo de retraso añade 300 metros al recorrido. La velocidad de la señal es constante, como la de la luz (скорость света).

Dos nadadores sincronizados se lanzan al mar. Uno llega a una zona en calma, el otro a un remolino. Sus movimientos, perfectamente coordinados al inicio, divergen. Algo similar ocurre con dos partículas cuánticas cuando una se mueve en un espacio plano y la otra en uno curvado.

En la gran orquesta del universo, cada instrumento tiene su propio ritmo. Los electrones en el átomo realizan saltos cuánticos en femtosegundos, las neuronas del cerebro intercambian señales en milisegundos, y una persona necesita décimas de segundo para percibir el «ahora».

El corazón no late como un metrónomo: su ritmo baila al compás de la hora del día. Cada uno de nosotros tiene su momento en que el pulso alcanza su punto más alto. Ese pico es como la manecilla del reloj interno, y varía de una persona a otra. Pero, ¿qué mueve esa manecilla? Los investigadores dieron a los participantes relojes inteligentes y los siguieron durante casi un mes.

La electrodinámica cuántica, o QED, describe cómo la luz interactúa con partículas cargadas, como los electrones. Es una de las teorías más precisas de la historia: sus predicciones coinciden con el experimento hasta el undécimo decimal.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Un péndulo que oscila casi medio billón de veces por segundo. No es mecánica: es el pulso de la luz atrapado por átomos de iterbio. En lugar de engranajes, aquí trabaja una rejilla láser — una onda estacionaria que mantiene los átomos en sus nodos, como guisantes en una vaina.

El tiempo es caprichoso. Dentro de una estrella masiva fluye tranquilo, como la arena en un viejo reloj de chimenea. Afuera, a escala del universo entero, se estira junto con el espacio, como si ese mismo reloj hubiera caído en un ascensor que acelera y frena sin cesar.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

El tiempo en física se parece a un director que marca el ritmo a toda la orquesta. Pero en el mundo cuántico no hay una batuta única: cada partícula puede vivir según su propio reloj. Normalmente simplificamos el panorama y asumimos que el tiempo fluye igual para todos.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

Una fotografía de muy alta resolución se puede ampliar durante mucho tiempo — y de repente una cara lisa se descompone en píxeles individuales. Algo parecido, según un nuevo trabajo, ocurre con el propio espacio-tiempo. Los autores han propuesto que los diminutos intervalos de longitud no son «piezas» prefabricadas del universo, sino resultados de mediciones.

Un viejo despertador mecánico hace tictac en el estante. Escuchas el sonido rítmico, ves moverse las manecillas y estás seguro de que el tiempo avanza. Pero si desarmas el reloj, no encontrarás ninguna pieza etiquetada como «tiempo». Solo resortes y engranajes.

Una piedra cae en un pozo y el chapoteo llega a los oídos con retraso. Algo parecido le ocurre a la luz cuando escapa de la Tierra: sus oscilaciones se vuelven menos frecuentes, el rayo parece «cansarse». Esto es el corrimiento al rojo gravitacional — un fenómeno del que habló Einstein hace cien años.

Un fotógrafo intenta capturar la interferencia de la luz, pero solo dispone de una lente y de la posibilidad de cambiar el tiempo de exposición. Una tarea similar se les plantea a los cosmólogos que estudian las huellas cuánticas en la radiación de fondo de microondas, el resplandor del Big Bang.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

Un rayo de luz viaja a través del vacío, y su propio «tictac» —un reloj invisible incrustado en el propio tejido del espacio-tiempo—.

La aguja de una brújula tiembla cuando pasa un camión cercano. De igual manera, en un giroscopio diminuto —un dispositivo que detecta la rotación— cualquier ruido ahoga la señal útil. Durante mucho tiempo, los ingenieros no lograron reducir el giroscopio al tamaño de una uña sin perder precisión. La solución apareció con una arquitectura de dos cadenas.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

El Universo no nació solo: con él surgió un gemelo especular donde todo está al revés: derecha e izquierda intercambiadas, y el tiempo fluye del futuro al pasado.

Un gravímetro atómico funciona como una balanza de precisión para la fuerza de gravedad: lanza una nube de átomos y observa con qué rapidez caen. Pero estos instrumentos tienen una interferencia oculta: la forma de la señal que emiten está ligeramente deformada.

Cuando un avión se aproxima al aterrizaje o un submarino navega a ciegas, el navegante necesita un instrumento que no pierda el hilo del movimiento. Los giroscopios convencionales basados en ondas atómicas son muy precisos, pero tienen una manía: la señal se repite como el patrón de un papel pintado, y después de medio paso el patrón empieza a parecer el mismo.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

En el centro de nuestra galaxia se esconde un agujero negro supermasivo, Sagitario A*, un peso pesado que mantiene a las estrellas a su alrededor. Los astrónomos sueñan con encontrar púlsares cerca de él: estos faros cósmicos emiten pulsos de radio con la precisión de los relojes atómicos.

Dos relojes en habitaciones diferentes deben hacer tictac al unísono. Normalmente, para ello se envían pulsos brillantes o pares de fotones que llegan exactamente uno tras otro. Pero la señal puede ser tan débil que los fotones apenas llegan. En este trabajo, los relojes se sincronizaron con luz mil millones de veces más tenue de lo habitual.

Las balanzas ultraprecisas que captan los mínimos cambios en la fuerza de gravedad funcionan como un oído fino: escuchan incluso el susurro de lejanas cavidades subterráneas o las vibraciones de la corteza terrestre. Pero estos dispositivos tienen un enemigo oculto: su propio reloj interno. El tiempo dentro del sensor también tiembla, y ese temblor emborrona la imagen.

Los eclipses en estrellas dobles son como un reloj: la enana blanca (un denso remanente estelar) pasa regularmente frente a su compañera y la luz se apaga por un breve instante. Pero en la mayoría de estos pares, el reloj se adelanta o se atrasa unos segundos a lo largo de los años.

En agosto de 2017, los detectores de ondas gravitacionales captaron una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones — restos ultradensos de estrellas que explotaron. En ese mismo instante, en toda la Tierra transcurría la rutina habitual: los aviones aterrizaban, los coches circulaban y los navegadores calculaban rutas.

Los relojes atómicos comunes hacen tic-tac cuando un electrón salta entre niveles de energía. Pero los campos externos y los golpes pueden alterar ese ritmo. Los iones altamente cargados —átomos a los que se les han arrancado muchos electrones— apenas notan esas perturbaciones: sus electrones están profundos y firmemente sujetos. Por eso son 'péndulos' ultraestables.