¿Qué es un reloj nuclear? El reloj que se corrige solo

El 8 de octubre, la Universidad Técnica de Viena anunció algo que los físicos llevaban medio siglo persiguiendo. Junto con el PTB, el instituto nacional de metrología de Alemania, publicó en la revista Nature el primer reloj nuclear que se mantiene estable por sí mismo. Funcionó más de 24 horas seguidas sin que nadie lo tocara.

Los titulares lo resumieron con una cifra que impresiona: se atrasaría apenas un segundo en 30 millones de años.

Cuando lo leí, me emocioné por una razón distinta. Esa cifra, que suena a récord, en realidad no es un récord. Ya existen relojes mucho más precisos. Lo que hace especial a este reloj es otra cosa, y me parece más bonita.

La pregunta es esta: ¿qué es un reloj nuclear, y por qué tanta emoción si todavía no es el reloj más preciso del mundo?

¿Qué es, en el fondo, un reloj?

Todo reloj tiene dos partes: algo que se repite con un ritmo regular, y algo que cuenta las repeticiones. El péndulo de un reloj de pared va y viene; los engranajes cuentan cada ida y vuelta. Si el péndulo tarda exactamente un segundo en cada oscilación, contando oscilaciones sabes cuánto tiempo pasó.

El problema es que ningún péndulo es perfecto. Si hace calor, la varilla se estira y el péndulo va más lento. Si mueves el reloj, cambia el ritmo. Un reloj es tan bueno como la regularidad de lo que oscila.

Tu reloj de pulso de cuarzo usa un cristal que vibra decenas de miles de veces por segundo cuando le pasa corriente. Es mucho mejor que un péndulo, pero tampoco es perfecto: el cristal cambia un poco con la temperatura y con los años.

¿Por qué los átomos son los mejores péndulos?

Los físicos encontraron hace décadas un péndulo casi perfecto: el átomo. Los electrones de un átomo solo pueden estar en ciertos niveles de energía, como los peldaños de una escalera. Para subir de un peldaño a otro, el átomo absorbe luz de una frecuencia exacta, siempre la misma. Ningún átomo de cesio es distinto de otro: todos "vibran" igual.

Por eso, desde 1967, el segundo se define con un átomo. Un segundo es el tiempo que tardan en ocurrir exactamente 9.192.631.770 oscilaciones de la luz que hace saltar al átomo de cesio-133. Los relojes atómicos con esa definición son los que sincronizan el GPS, internet y la red eléctrica.

Y la regla tiene un truco: mientras más rápido oscile lo que cuentas, más fino es tu reloj. Es como medir con una regla que tiene marcas cada milímetro en vez de cada centímetro. Por eso los relojes más modernos usan átomos como el estroncio, que se excitan con luz visible y oscilan cientos de billones de veces por segundo. En 2024, un reloj de estroncio del instituto JILA, en Estados Unidos, alcanzó una incertidumbre de 8 partes en diez trillones. Se espera que hacia 2030 el mundo cambie la definición del segundo para usar relojes así.

Ahora sí podemos ver el reloj nuclear en su contexto.

¿Entonces el reloj nuclear no es el más preciso?

No. Y aquí está lo que casi ningún titular dijo.

El reloj de Viena tiene una precisión de alrededor de 1 parte en mil billones. Es lo que significa "un segundo en 30 millones de años". El reloj de estroncio de JILA juega en otra liga: las dos cifras no miden exactamente lo mismo, pero la diferencia es de unas mil veces. Los propios autores lo dicen: su prototipo todavía está por debajo de los mejores relojes atómicos ópticos. Thorsten Schumm, el físico que dirige el equipo de Viena, lo llamó "un resultado fantástico" para un primer prototipo, y lo es. Pero no es el reloj más exacto del mundo.

Lo emocionante no es lo que este reloj ya hace, sino lo que un reloj nuclear puede llegar a hacer, porque escucha un péndulo completamente distinto: el núcleo del átomo.

Un reloj atómico usa los electrones, que están en la parte de afuera del átomo y sienten todo: campos eléctricos, campos magnéticos, átomos vecinos. El reloj nuclear usa el núcleo, que es más de 10.000 veces más pequeño que el átomo y está escondido en el centro. Imagina la diferencia entre un péndulo colgado en la calle, donde lo empuja el viento, y uno guardado en una caja fuerte. El núcleo es el péndulo en la caja fuerte.

Hay una segunda ventaja. Como el núcleo está tan protegido, el reloj puede funcionar con el torio metido dentro de un cristal sólido, en vez de con átomos atrapados en el vacío con láseres y trampas complicadas. Eso abre la puerta, en el futuro, a relojes nucleares más pequeños y portátiles.

Y "se corrige solo" significa justo eso. El láser del reloj tiende a desviarse. Pero los núcleos de torio solo absorben luz de la frecuencia exacta. Si el láser se desvía, los núcleos absorben menos, el aparato lo detecta y corrige el láser. Es como afinar una guitarra de oído: el núcleo es el diapasón que no se desafina nunca. Schumm lo explicó así: tienes un láser y tienes torio; el láser cambia el estado de los núcleos, y los núcleos estabilizan el láser.

¿Por qué el torio, y por qué tardó 50 años?

Casi todos los núcleos atómicos guardan sus saltos de energía en niveles altísimos, que solo alcanzan los rayos gamma, imposibles de controlar con un láser. El torio-229 es una rareza: tiene un estado excitado con una energía tan baja que se puede alcanzar con luz ultravioleta. Es como encontrar, en un edificio de escaleras gigantes, un único peldaño de altura humana.

Encontrarlo fue una historia de paciencia. En 1976, dos físicos, Kröger y Reich, notaron que en sus mediciones faltaba una señal que la teoría predecía, y dedujeron que ese peldaño tan bajo tenía que existir. En 2003, Ekkehard Peik, hoy en el PTB, y Christian Tamm propusieron usarlo para un reloj. En 2016 se detectó directamente por primera vez. Y en abril de 2024, el equipo del PTB y de Viena logró por fin excitar el núcleo con un láser, en un cristal, con luz ultravioleta de 148 nanómetros. Unos meses después, el grupo de Jun Ye en JILA midió su frecuencia comparándola con un reloj de estroncio, con 12 cifras de precisión.

Más de 50 años desde la primera pista hasta un reloj que funciona solo.

¿Para qué queremos medir el tiempo todavía mejor?

Hay razones prácticas. El GPS de tu celular funciona midiendo cuánto tarda en llegar la señal de varios satélites. Un error de una milmillonésima de segundo equivale a unos 30 centímetros de error en tu posición. Como conté en el artículo sobre las tormentas solares y el GPS, todo el sistema depende de relojes atómicos.

Hay razones de geografía. Einstein mostró que la gravedad hace que el tiempo corra más lento cuanto más cerca estás de la Tierra. Con relojes de 1 parte en un trillón, la diferencia de altura de un centímetro ya cambia el ritmo. En el futuro, relojes así podrían medir alturas y cambios en el terreno comparando cuánto avanza el tiempo en cada lugar.

Y hay una razón que a mí, como físico, me quita el sueño. Creemos que ciertos números de la naturaleza son constantes: por ejemplo, la intensidad con la que la luz interactúa con la materia. Pero nadie ha probado que no cambien un poquito con el tiempo, o por efecto de una materia oscura que no vemos. Según mediciones recientes, el salto del núcleo de torio es unas mil veces más sensible a ese tipo de cambio que los relojes atómicos. Un reloj nuclear podría ser un detector de física nueva.

Como conté en el artículo sobre por qué 228 años no bastan para medir la gravedad, medir mejor una constante a veces es la forma de descubrir que no la entendíamos.

Lo que todavía no sabemos

Mucho. Este prototipo todavía es menos preciso que los mejores relojes atómicos, y no sabemos cuánto mejorará ni qué tan rápido. El cristal que guarda el torio introduce sus propios problemas, como su sensibilidad a la temperatura. Los láseres de luz ultravioleta de 148 nanómetros son difíciles de construir y de mantener. Y lo más importante: nadie sabe si las constantes de la naturaleza cambian. Puede que un reloj nuclear perfecto confirme, con muchísima más precisión, que no cambian. Eso también sería ciencia.

En mi opinión, la forma honesta de leer esta noticia es mirar hacia atrás: el primer reloj atómico de cesio funcionó en 1955, y doce años después ya definía el segundo para todo el planeta. Los prototipos casi nunca son los récords; son las semillas.

Qué puedes hacer tú, hoy

• Mira de dónde sale la hora de tu celular. No la inventa tu teléfono: la recibe de servidores sincronizados con relojes atómicos. En Colombia, la hora legal la mantiene el Instituto Nacional de Metrología; muchos países tienen un instituto así.
• Desconfía de los récords en titulares. "Un segundo en 30 millones de años" es cierto, pero sin comparación no dice nada. Como expliqué en el artículo sobre qué es un sigma, un número de precisión solo tiene sentido al lado de otro.
• Haz tu propio péndulo. Cuelga una llave de un hilo y cuenta diez oscilaciones con un cronómetro. Alarga el hilo y repite. Acabas de ver por qué la regularidad es todo en un reloj.

Las personas que esperaron medio siglo

Esta historia no tiene un solo protagonista. Tiene a Kröger y Reich, que en 1976 se tomaron en serio una señal que faltaba. A Ekkehard Peik y Christian Tamm, que imaginaron el reloj en 2003, cuando nadie sabía siquiera dónde estaba el peldaño exacto. A los equipos de Viena, Braunschweig, Múnich y Boulder, que pasaron años construyendo láseres para una luz que casi nadie sabía producir. Y a Thorsten Schumm y su grupo, que este mes vieron su reloj funcionar solo durante más de un día.

Me gusta pensar que la física funciona así: una generación nota una anomalía, otra imagina para qué sirve, y una tercera la convierte en un aparato. Cada una confía en que la siguiente terminará el trabajo.

Si pudieras medir el tiempo con una precisión perfecta, ¿qué te gustaría medir? Te leo en los comentarios.