la tercera campanada, el tiempo será de 23 horas, 59 minutos y 59 segundos…” El 1 de Julio de 2022, Francia retiró su reloj parlante después de 89 años de leal servicio. El operador nacional de telecomunicaciones de Suiza, Swisscom, sigue ofreciendo su servicio de reloj parlante, que recibió más de un millón de llamadas en 2016 (última cifra disponible).

La tarea de mantener la hora exacta recae en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (conocida por su acrónimo Francés, BIPM), que tiene su sede en las afueras de París, en Saint-Cloud. Desde 1875 el BIPM ha sido el guardián oficial de las unidades fundamentales con las que medimos el mundo. Define el metro, el segundo y el kilogramo y coordina el trabajo de los metrólogos de todo el mundo. También transmite el Tiempo Universal Coordinado (UTC), el tiempo “oficial”, con una precisión alucinante de una décima de milmillonésima de segundo por día.

Una señal horaria precisa es esencial en la investigación fundamental, así como en numerosas tecnologías, como los sistemas globales de navegación por satélite, las telecomunicaciones, las redes energéticas y los mercados financieros. Por ejemplo, las transacciones financieras en Europa tienen una marca de tiempo de una diezmilésima de segundo.

Hora de París

La historia de las señales horarias precisas nos lleva desde la Revolución Francesa hasta las estrellas y los átomos. El BIPM se fundó en 1875 para albergar los prototipos del metro y el kilogramo. Marcó la culminación de un proceso que comenzó a raíz de la Revolución Francesa, para simplificar los cientos de unidades de medida entonces en uso, utilizando múltiplos de diez. Esto dio lugar a kilogramos y kilómetros, decilitros y milisegundos y, más recientemente, teravatios-hora y petabytes.

En el siglo XIX, la unidad de tiempo estaba definida por el día astronómico, que es el tiempo que tarda la Tierra en completar una revolución sobre su eje. Un segundo equivale a 1/86.400 de un día (24 horas, donde una hora equivale a 60 minutos y un minuto a 60 segundos). Los observatorios astronómicos proporcionaron esta información registrando el momento en que las estrellas distantes regresaron a la misma posición en el cielo.

Debido a que la rotación de la Tierra no es completamente estable, el día pierde unos segundos cada siglo. En consecuencia, en 1960 el BIPM redefinió el segundo como una fracción del año solar, que es más largo y consistente.

Tiempo atómico

Esta nueva definición duraría poco. En 1967, al segundo se le dio su definición actual, basada en la vibración de un átomo: un fenómeno extremadamente estable que es la base de los relojes atómicos. “Fue un cambio radical”, afirma Patrizia Tavella, directora del Departamento de Tiempo del BIPM. “Por primera vez, el segundo no estaba relacionado con observaciones del movimiento de las estrellas, sino con un fenómeno independiente y universal que, en teoría, podría reproducirse en otra galaxia”.

Un reloj atómico monitorea la frecuencia de una onda electromagnética frente al cambio en los estados de energía de un conjunto de átomos. Para el cesio, esta frecuencia es de 9.192.631.770 Hz, y define el segundo como el tiempo necesario para contar 9.192.631.770 vibraciones. Como un reloj mecánico o de cuarzo, la sucesión de segundos medidos por los relojes atómicos define la hora oficial.

El BIPM establece UTC promediando las señales horarias proporcionadas por más de 450 relojes atómicos en 89 institutos metrológicos en 65 países. Por eso, observa Patrizia Tavella, la hora oficial es un consenso.

Aun así, el tiempo astronómico no está completamente obsoleto. UTC se “ralentiza” regularmente agregando un segundo, para permanecer más alineado con la rotación de la Tierra. Sin embargo, este segundo intercalar podría retirarse en 2035 (consulte las páginas siguientes).

Tiempo del mes pasado

Hasta la década de 1980, los relojes atómicos se transportaban físicamente para compararlos y sincronizarlos. Esto ahora se hace gracias a un sistema de geolocalización por satélite como el GPS de Estados Unidos o el Galileo de la Unión Europea. Estos satélites, esenciales para el posicionamiento con una precisión de unos pocos metros, llevan relojes atómicos que los laboratorios utilizan para sincronizar comparando señales horarias y enviando la diferencia al BIPM.

Un promedio de 89 tiempos atómicos aumenta la precisión pero lleva... tiempo, por lo que el BIPM utiliza como referencia los tiempos locales, definidos por los institutos metrológicos. Cada mes publica el desfase entre UTC y estas horas locales. Por lo tanto, el Tiempo Universal Coordinado no está disponible en tiempo real: sabemos cuál era la hora exacta... ¡el mes pasado!

La hora oficial en Suiza – UTC(CH) – la define el Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS) y está diferenciada con respecto a UTC en tan solo unos pocos nanosegundos. «Cada día comparamos nuestras señales horarias y hacemos correcciones para minimizar la diferencia con UTC», explica el investigador científico de METAS, Antoine Jallageas. UTC(CH) se utiliza en la investigación y la industria, así como para calibrar relojes vía satélite o con un instrumento de referencia. Esta hora oficial se transmite en línea de forma gratuita, aunque el retraso de la red afecta su precisión de un milisegundo.

Una fuente temporal

Los cinco relojes atómicos de METAS (cuatro de cesio y uno de hidrógeno) están alojados en un entorno controlado con un riesgo mínimo de interferencia por vibraciones, campos electromagnéticos o cambios de temperatura. La precisión del objetivo de 0,0000000000001% (1e-15) significa que se tienen en cuenta efectos físicos de intensidad extremadamente baja: radiación térmica, dilatación del tiempo debido a la diferencia en la atracción gravitacional en la parte superior e inferior del reloj (teoría de la relatividad de Einstein) y la Efecto Doppler debido al movimiento relativo de los átomos.

Uno de los relojes atómicos de METAS, el FoCS-2, es el único de su tipo en el mundo. “Es el único validado para definir el patrón de frecuencia primario [el equivalente del segundo] utilizando un haz continuo de átomos de cesio enfriados por láser, conocido como fuente”, explica Antoine Jallageas.

«Este enfoque alternativo significa que podemos tener una mayor confianza en el segundo definido por los institutos de metrología de todo el mundo». El desarrollo de FoCS-2 comenzó a finales de los años 1990 en la Universidad de Neuchâtel. METAS colabora con la universidad desde hace muchas décadas. “El Observatorio Neuchâtel desempeñó un papel destacado en la cronometría internacional”, señala Jürg Niederhauser, director de asuntos corporativos de METAS. «Neuchâtel alberga numerosas empresas relojeras y en 1853 el Consejo Federal Suizo encargó al observatorio la definición de una hora oficial exacta». El observatorio se convirtió en una referencia en materia de cronometraje de precisión, sobre todo por las pruebas internacionales de cronometría que tuvieron lugar allí. Esta tradición continúa en el Laboratorio de Tiempo y Frecuencia de la Universidad de Neuchâtel, que desarrolla relojes atómicos, incluidos relojes de pequeña escala para naves espaciales.

Un segundo en 30 mil millones de años

Actualmente, los relojes atómicos más precisos, que funcionan con cesio, tienen una precisión de 8 picosegundos por día, una variación de un segundo en 300 millones de años. Sin embargo, como señala Sébastien Bize, jefe de investigación en metrología de frecuencia óptica del Observatorio de París, estos límites ya están siendo superados por instrumentos que utilizan estroncio o iterbio, que vibran a una frecuencia mucho más alta que el cesio.

La principal ventaja de estos relojes ópticos es que son entre diez y cien veces más precisos que los relojes de cesio. Esto se debe a que cuantas más oscilaciones haya que contar en cada segundo, menor será el error relativo si algunas de las oscilaciones no se cuentan. La segunda ventaja es que la señal que producen ya tiene la frecuencia correcta para la transmisión a través de fibra óptica, mientras que la señal de un reloj de cesio debe convertirse. “No tiene sentido guardarse una señal”, insiste Sébastien Bize. “El objetivo es proporcionar señales de referencia. Además, la metrología funciona promediando las señales de diferentes laboratorios, lo que significa que deben compartirse. El hecho de que podamos enviar estas señales a través de cables de fibra óptica es un gran paso adelante”.

Estas nuevas generaciones de relojes ya han logrado una precisión fenomenal de un segundo en 30 mil millones de años, el doble de la edad del universo. Si se puede confirmar su exactitud, confiabilidad y solidez, se integrarán en el cálculo del UTC transmitido por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas: esa venerable institución que, durante un siglo y medio, mantiene el tiempo en el mundo.