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Posts Tagged ‘medición del tiempo’

“Nuestra concepción del tiempo depende
de la manera en que lo midamos”.
William J. H. Andrewes

“Son las seis”, “Quedan seis segundos para que termine la clase”, “La vida de los perros debe ser multiplicada por siete”, “Debería superar su marca pasada y llegar a los tres minutos y diez segundos”, “En la película viajan al pasado para recuperar el tiempo perdido” o “La trama ocurría en el futuro” son frases que se dicen en el contexto cotidiano, tanto en la actualidad como antiguamente.

A lo largo de la historia, la necesidad de establecer divisiones entre el día y la noche movió a egipcios, griegos y romanos a crear relojes de sol, de arena, clepsidras (relojes de agua) y otros instrumentos. Babilonios y egipcios comenzaron a medir el tiempo hace al menos 5.000 años. Elaboraron calendarios para organizar y coordinar actividades comunales y acontecimientos públicos, planificar los embarques de mercancías y, en particular, regular siembras y cosechas. Sus calendarios se basaban en tres ciclos naturales: el día solar, marcado por los sucesivos periodos de luz y oscuridad a que da lugar la rotación de la Tierra sobre su propio eje; el mes lunar, señalado por las fases de la Luna, y el año solar, definido por el cambio estacional que produce el giro de nuestro planeta en torno al Sol.

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Desde el reloj solar y la clepsidra (relojes de agua) hasta los primeros relojes mecánicos (los primeros ideados con un mecanismo de pesas), ha pasado un largo periodo de tiempo en el que horólogos han dado lo mejor de sí mismos para innovar aún más en la medición del tiempo. La Iglesia hace mella en este proceso de una forma decisiva, pues requería de un instrumento lo más preciso posible para la estricta observancia de las horas en conventos y monasterios. Pero tampoco existían los conocimientos suficientes acerca de mecánica para crear relojes tal y como los conocemos actualmente. No obstante, con el tiempo se fueron desarrollando relojes mecánicos modernos.

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Pero remontándonos a la actualidad, quienes aspiren a construir relojes todavía más precisos han de tomar las sendas que conducen hacia las fronteras de la física y la ingeniería, y hacerlo simultáneamente en varias direcciones. Merced a progresos técnicos de primera magnitud, la horología de ultraprecisión está avanzando con una velocidad no vista desde hace al menos 35 años. Los prototipos de los últimos diseños bases de tiempos que han funcionado con éxito –dispositivos que extraen el tiempo de átomos de calcio o de iones de mercurio, no del cesio– inducen a esperar que en plazo de pocos años la precisión entrará en la escala de 10-18, lo que supondrá mejorar la precisión un millar de veces en menos de diez años.
Tal vez no sea “precisión” la palabra justa. En 1967, el segundo fue definido por el convenio internacional como “la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de Cesio, a una temperatura de 0 K”. En definitiva, que para medir un segundo hemos de recurrir al cesio. Ahora, los relojes más perfectos van muy pronto a dejar de usarlo, por lo que estrictamente hablando, no estarían midiendo segundos. He aquí una de las dificultades que deben resolver los horólogos.
Más fundamental es la limitación que acecha. Como Einstein expuso teóricamente y los experimentos han confirmado, el tiempo no es absoluto. La velocidad de cualquier reloj se ralentiza cuando aumenta la gravitación o cuando el reloj se mueve rápidamente con respecto a su observador; incluso para un fotón emitido que reorienta sus polos magnéticos o salta de una órbita a otra. Con la instalación de relojes ultraprecisos en la Estación Espacial, se confía en someter la teoría de la relatividad a las más estrictas verificaciones jamás realizadas. Pero en cuanto los relojes alcancen la precisión de 10-18, proporciones que corresponden a una desviación de menos de medio segundo en toda la edad del universo, serán los efectos de la relatividad los que nos pongan a prueba a nosotros. No existe técnica alguna capaz de sincronizar relojes situados alrededor del mundo con tamaña exactitud.

INVENTAR LA PRECISIÓN:
Una de las razones de aumentar aún más la precisión estriba en que el segundo se está convirtiendo, cada vez más, en la unidad fundamental. Tres de las seis unidades fundamentales, concretamente, el metro, el lumen (unidad para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa percibida) y el ampère (o amperio), ya se definen en la actualidad con ayuda del segundo. Mediante la celebérrima y decisiva ecuación E=mc^2, se podría convertir la masa en una unidad equivalente de energía, tal vez un conjunto de fotones cuyas frecuencias correspondan a un determinado algoritmo (¿cómo?, dejémosle esta tarea a los físicos).
Para comprender por qué la horología ha experimentado tan súbita aceleración conviene saber algo acerca del funcionamiento de los relojes atómicos. Un reloj atómico se funda, lo mismo que cualquier otro mecanismo de relojería, en un oscilador que “bate” con regularidad, y en un contador, que traduce los “latidos” en segundos. A diferencia de péndulos y cristales, los átomos de cesio son todos iguales. Y cada uno invertirá el espín de su electrón más externo al ser excitado por microondas (un fotón de luz es absorbido por el electrón más externo del átomo de cesio) cuya frecuencia sea de exactamente 9.192.631.770 ciclos por segundo (atendiendo a la definición de segundo).
PRINCIPIO DE HEISENBERG
¿En qué consiste el Principio de Incertidumbre de Heisenberg? Demuestra que a nivel cuántico no es posible conocer de forma exacta el momento lineal y la posición de una partícula. O de forma más correcta, que es imposible conocer dichos valores más allá de cierto grado de certidumbre. A nivel cuántico las partículas no son pequeñas esferas, sino borrones. Si es posible fijar la posición de la partícula con total precisión será imposible conocer su velocidad. Si por el contrario se conoce su velocidad, no se sabrá a ciencia cierta en qué punto se halla, y es cuando entran en juego las leyes de la probabilidad.
Se trata de un principio que impone estrictos límites a la precisión con que se puede medir la frecuencia de un fotón aislado. En nuestros días, los mejores relojes logran explorar una franja de 1 hertz (oscilación por segundo) de anchura para hallar su centro exacto en cada medición individual, a pesar de las limitaciones del principio de indeterminación. Puede ello conseguirse porque cada vez se examinan más de un millón de átomos; puesto que no se trata en realidad de una medida solo, no se violan las leyes de la mecánica cuántica. Sin embargo, esta solución crea otros problemas. A temperatura ambiente, el cesio es un metal maleable de brillo plateado. En el interior de un reloj atómico de haz de cesio, un horno calienta este metal hasta que entra en ebullición. Las partículas calientes emitidas entonces atraviesan la cavidad de microondas a diversas velocidades y ángulos. Algunas se mueven tan rápidamente que (a causa de la relatividad) se comportan como si el tiempo se hubiera detenido. A otros átomos, las microondas les parecen de frecuencia más alta o más baja de la que tienen. Los átomos ya no se comportan todos de idéntica forma, por lo que sus oscilaciones se tornan menos diferenciadas.
Ahora lo que hay que hacer es proyectar bolitas de cesio superfríos, que describen un arco similar al chorro de agua de una fuente a través de una cámara de microondas (como ya se había comentado anteriormente en el párrafo anterior). Para condensar el vapor caliente de cesio, con el fin de que forme diminutas bolitas, seis haces de láser concurrentes en un punto frenan a los átomos hasta temperaturas de menos de dos microkelvin: prácticamente, hasta detenerlos casi por completo. La bajísima temperatura no hace sino suprimir casi del todo los efectos relativistas. Los relojes-fuente introducidos en 1996, eliminaron el 96% de las incertidumbres.
Como ya se ha comentado anteriormente, los más modernos y avanzados relojes atómicos no recurren al cesio como motor de la operación, sino al calcio o iones de mercurio:

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Y es que como se puede apreciar se trata de un complejo sistema que requiere de la mayor precisión y que, por tanto, no se puede explicar así como así.
Se ha mencionado con anterioridad en la entrada el siguiente hecho: “Algunas se mueven tan rápidamente que (a causa de la relatividad) se comportan como si el tiempo se hubiera detenido.” Algunas partículas en concreto. Este efecto tiene que ver con velocidades cercanas a la luz, y que si indagamos un poco más se puede relacionar con los viajes en el tiempo. Pero, ¿cómo? ¿Es posible viajar en el tiempo?

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Hagamos el siguiente ejercicio de imaginación: te encuentras en un tren, el cual comienza a acelerar hasta que alcanza velocidades muy cercanas a la luz (pues alcanzar la de la misma es imposible). ¿Qué crees que pasaría? Bien, considerando el tiempo como relativo, el que se encuentra en el interior de la cabina verá el exterior prácticamente paralizado, a una velocidad inapreciable. Sin embargo, aquel que se encuentra fuera no vería el tren, sería inconcebible tal velocidad para el cerebro humano. No obstante, esto no demuestra que estemos viajando hacia el futuro (a pesar de que los de dentro ven a los de fuera paralizados mientras que ellos avanzan en el tiempo), porque si lo tomamos desde una perspectiva exterior, ajena a esta situación, nos encontramos con la siguiente paradoja: el tiempo no puede doblarse sobre sí mismo y deshacer los acontecimientos que ya han sucedido. Los viajes al pasado no son posibles, van contra todo pronóstico de la naturaleza, sin embargo, los viajes en el futuro están más de cerca de lo que creemos. Los físicos han llegado al consenso de que, de poder realizarse un viaje en el tiempo, únicamente sería posible hacia el futuro.
Una de las distintas formas de las que se ha afirmado que podrían servir como instrumento para viajar en el tiempo es a través de los agujeros de gusano, también conocidos como puentes de Einstein-Rosen. Un agujero de gusano es un túnel que nos permite atajar entre dos lugares diferentes del espacio y el tiempo. La idea de agujero de gusano derivó de la concepción de agujero negro, formulada por el físico alemán Karl Schwarzschild, cuando en 1916, utilizando las recién formuladas ecuaciones de la relatividad general de Einstein, calculó el campo gravitatorio de una estrella masiva estacionaria. Pero el puente de Einstein-Rosen era simplemente una curiosidad matemática, ya que para atravesar el centro se debían salvar un gran número de dificultades. La fuerza gravitatoria en el centro del agujero sería enormemente potente, lo que haría que cualquier objeto que intentara atravesarlo quedara aplastado. Para superar con éxito esta fuerza gravitatoria se necesitaría una velocidad mayor a la de la luz, lo cual según la relatividad era imposible. A medida que nos acercáramos al centro del agujero, el tiempo se iría frenando, llegando en el centro a detenerse completamente. Además de estos inconvenientes existían otras pegas: como la propia estabilidad del agujero, qué efectos cuánticos evitarían que el agujero se mantuviese abierto, o que la radiación producida en la entrada del agujero mataría al que intentara atravesarlo. Con toda esta lista de inconvenientes parecía lógico pensar que nunca sería posible, si es que realmente existían, atravesar un agujero de gusano.

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Pero en 1985, Carl Sagan buscaba una manera de comunicar dos regiones enormemente distantes del universo de la forma más breve posible, para incluirla en su novela Contact. Carl consultó a Kip Thorne, físico estadounidense, acerca de un posible método que permitiera este viaje de la forma más científica y real posible, y que además permitiera a un ser humano realizar el viaje en un tiempo aceptable. Thorne quedó realmente intrigado por la pregunta de Sagan y buscó, junto a Michael Morris y Ulvi Yurtserver, una respuesta que ofreciera una posibilidad real para este tipo de viaje. La solución que encontraran debía salvar todos los inconvenientes anteriormente enumerados. Finalmente dieron en el clavo, lograron diseñar un agujero de gusano en el cual, un ser humano que lo atravesase no sentiría una fuerza gravitatoria mayor a 1g, el agujero permanecería estable y sin cerrarse, y además el viaje no supondría más de 200 días para el viajero. Solo existía una pega, en el centro del agujero debía existir una materia exótica, que aunque podía estar al alcance de una posible civilización futura y no violaba las leyes de la física, podía perfectamente no existir.
Al fin y al cabo son conjeturas que han pasado a un nivel mayor de certeza, es decir, son hipótesis que por el momento se han llevado al método hipotético-deductivo a baja escala, sin resultados claros que permitan concluir en leyes o teorías. Pero como ya decía Einstein acerca de la relatividad: “Cuando cortejas a una bella muchacha, una hora parece un segundo. Pero te sientas sobre carbón al rojo vivo, un segundo parecerá una hora. Eso es relatividad”.
Documentales:

Albert Einstein y la relatividad : 

El reloj atómico

Pedro Martínez, 1º de Bachillerato.

Fuentes:
http://www.uco.es/geometria/documentos/MedidaTiempoSenovilla.pdf
http://www.quo.es/naturaleza/tienes-hora
http://www.nationalgeographic.es/noticias/ciencia/viajar-en-el-tiempo-es-posible
http://www.investigacionyciencia.es/materias
http://meetthings.com/blog/index.php/17-11-2011/que-es-un-lumen/
http://www.ciencia-ficcion.com/glosario/p/prinince.htm
http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/02/07/4578/

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