De John Harrison ao reloxo óptico, unha historia do tempo

A medición do tempo é fundamental para a navegación e as comunicacións. Tan preocupados estaban os navegantes polo tema que aló polo ano 1714 o goberno Inglés estabeleceu un premio de 20.000 libras (actualmente uns 10 millóns de euros) para quen fose capaz de construír un reloxo de precisión. O gañador foi un carpinteiro. Actualmente o paso do tempo contrólase con reloxos atómicos que erran 1 segundo cada 30 millóns de anos. Mais a busca por incrementar a precisión continúa e pronto o reloxo atómico será substituído por reloxos ópticos miles de veces máis precisos. Un grupo de xaponeses acaba de presentar o primeiro.

Saber a hora é fundamental non só para coñecer o cando, senón tamén o onde. Por exemplo, o sistema de navegación GPS depende da medición moi precisa do tempo con reloxos atómicos. Para o cálculo da posición mediante este sistema utilízanse sinais temporais emitidas polos satélites; se falla a medición do tempo tamén fallará o cálculo da posición. Cada un dos 24 satélites da rede leva 4 reloxos atómicos. Mais, a preocupación pola medición correcta do tempo para orientarse no espazo comezou moito antes.

Coordenadas imaxinarias
Un barco pode indicar a súa posición de acordo a un sistema de coordenadas baseado en meridianos e paralelos. Os paralelos indican a latitude e son, como di o nome, liñas paralelas que surcan imaxinariamente o planeta de leste a oeste. Os meridianos indican a lonxitude e neste caso trátase de liñas de idéntica extensión que van de polo a polo e dividen ao planeta en anacos como se fose unha laranxa. Desde o tempo de Ptolomeo os cero graos de latitude están no Ecuador. Pola contra, os cero graos de lonxitude foron máis disputados e remataron finalmente en Londres –concretamente en Greenwich– despois de moitas voltas á laranxa.

Nos comezos da navegación de grandes distancias a latitude podía coñecerse facilmente pola duración do día ou pola altura do sol e as estrelas no horizonte. En 1492 Cristobal Colon navegou seguindo un paralelo e iso bastoulle para non desviarse moito do seu rumbo cara ao oeste. Mais, para coñecer a lonxitude é preciso medir o tempo a bordo do barco –para o cal os astros botan unha man estupenda– e tamén coñecer a hora dalgún punto de lonxitude coñecida; cada hora de diferenza entre as dúas medicións serán 15 graos de lonxitude. A falla de bos reloxos a bordo puña aos navegantes en constante perigo; perderse podía significar quedarse sen auga e alimentos antes de encontrar unha terra á que agarrarse.

Londres, temos un problema!
Os científicos sempre tiveron presente a importancia da medición do tempo. En 1656 Huygens –o físico holandés que tamén foi o descubridor de Titán, a lúa de Saturno que foi visitada hai pouco por unha nave da ESA-NASA chamada xustamente Huygens– construíu o primeiro reloxo de péndulo (unha idea que xa roldara na cabeza de Galileo). Mais estes trebellos só funcionan no mar con bo tempo, xa que o movemento da nave modifica seriamente o balanceo do péndulo. Para tratar de solucionar ese problema Huygens inventou e patentou en 1675 o balanceo mediante un sistema de resortes que aínda se utiliza en moitos reloxos de pulseira actuais; unha invención que tamén se atribuíu neses anos Robert Hooke, o científico que acuñou a palabra célula. Está claro que esa foi unha época de investigadores “multimedia”.

En 1714 comerciantes e mariñeiros decidiron presionar ao goberno Inglés para que fixera algo. Os políticos buscaron o consello de Sir Isaac Newton –tiña daquela 72 anos– e de Edmond Halley –o astrónomo que deu nome ao cometa–. Newton parecía desconfiar de que se puidese conseguir un reloxo de precisión a curto prazo: “…debido ao movemento do barco, as variacións de temperatura e humidade, e a diferente gravidade a distintas latitudes, tal reloxo aínda non foi construído” escribiu. Entón, o parlamento decidiu crear un premio –“The Longitude Act”– para entregar a quen inventase un método capaz de determinar a lonxitude no mar cunha precisión de medio grao: 20.000 libras. Unha comisión debería encargarse de probar calquera artiluxio aspirante, o cal tería que viaxar a bordo dun “barco da Súa Maxestade…navegando entre Gran Bretaña e as Indias Occidentais sen perder a lonxitude dentro dos límites estabelecidos”. Unha viaxe desas características duraba naqueles tempos uns 40 días, o que quere decir que o reloxo gañador non debería de perder ou gañar máis de 3 segundos cada 24 horas.

O carpinteiro que foi o mellor reloxeiro do mundo
John Harrison naceu o 24 de marzo de 1693. Foi unha mente autodidacta; carpinteiro, músico e…fabricante de reloxos. Antes de cumprir 20 anos xa tiña feito o seu primeiro reloxo de péndulo, coa novidade de que estaba construído case exclusivamente de madeira; todo un reloxo de carpinteiro. Entre 1725 e 1727 construíu dous reloxos de parede dunha precisión impresionante para a época: tiñan un erro de 1 segundo ao mes, cando neses tempos calquera outro reloxo tiña un erro de…1 minuto ao día! Esta precisión sen precedentes conseguiuna grazas a unha enorme habilidade e aos inventos e melloras que incorporou á maquinaria.

Convertido nun coñecido construtor de precisión, empezou a pensar en facer un reloxo que funcionase con precisión no mar; sen péndulos, sen problemas co movemento, temperatura e humidade. Unha máquina que aínda non existía. Dedicou o resto da súa vida a construír o seu sono, a máquina máis precisa posíbel. Levoulle 40 anos construír 5 marabillas. O seu primeiro intento foi o “HarrisonŽs No. 1”, chamado H-1 (1737), logo chegaría o H-2 (1741) e, dezaoito anos máis tarde, o H-3 (1759). Estes tres reloxos son auténticos prodixios de imaxinación e precisión, mais non foron suficientes para convencer á comisión encargada de dar o premio. Até que construíu o H-4 (e, máis tarde, outro similar, o H-5; 1760 e 1770 respectivamente). Totalmente distinto aos outros tres, o H-4 é pequeno, parecido ao reloxo de peto dos nosos avós. En palabras de Harrison: “Creo que podo atreverme a decer que non existe ningún outro aparato, mecánico ou matemático, de tanta beleza e rareza coma este reloxo ou cronómetro para a medición da lonxitude”. Algúns din que o H-4 foi o cronómetro máis importante construído na historia; agora pode verse no Museo Marítimo Nacional de Londres.

Medio premio para o H-4
Despois de 81 días no mar, o H-4 atrasou tan só 5 segundos. Mais a comisión non lle quixo dar a Harrison todo premio: deulle a metade, 10.000 libras. Para conseguir o resto tiña que probar que esa precisión podía ser duplicada: debería construír dúas réplicas do H-4. Construíu o H-5 en tres anos e probouno e axustouno durante outros dous. O H-5 conservábase daquela nunha caixa pechada con tres chaves: unha para un membro da comisión, outra para a familia Harrison e outra para nada menos que o rei George III. Harrison tiña 79 anos. Non había tempo para máis, o H-6 nunca chegou.

Reloxos sen tic-tac
Co paso dos anos os reloxos foron mudando e incorporando algúns cambios, mais non houbo melloras importantes até o reloxo de cuarzo do século XX. Este tipo de reloxo máis que unha mellora foi un cambio radical no concepto de medición do tempo. Inventouse nos anos 20 e funciona grazas a pequenos cristais que son estimulados para crear unha vibración cunha frecuencia de 10.000 ciclos por segundo. Canto maior e máis estábel sexa a frecuencia de vibración, maior será a precisión. Mais os científicos seguiron na procura do tempo e hoxe en día temos sistemas de vibración aínda mellores…moito mellores.

A referencia actual de tempo tómase a partir de reloxos atómicos. O primeiro foi construído en 1949 polo “Nacional Institute of Standard and Technology” nos EEUU, e mellorado ao longo dos anos 50. Estes reloxos están baseados na frecuencia de resonancia (oscilación) dos átomos entre distintos estados de enerxía. Actualmente utilízase o átomo de cesio-133, que oscila exactamente 9.192.631.770 veces por segundo –de feito esta é a definición de 1 segundo desde 1967–. Estes reloxos de cesio teñen unha precisión tremenda: un erro de 1 segundo cada…30 millóns de anos!

Alguén da máis?
Para aumentar a precisión poden buscarse átomos que oscilen a maior frecuencia, como o estroncio. Até agora non fora posíbel construír un reloxo atómico de estroncio pola dificultade para medir a súa oscilación, mais uns investigadores da Universidade de Tokio acaban de presentar na revista Nature un método que pode ser utilizado para a construción dun reloxo cunha precisión mil veces maior que os reloxos de cesio. O novo método utiliza as propiedades dos átomos de estroncio atrapados nunha oscilación producida por raios láser: un reloxo óptico. Este é o futuro da medición do tempo.

O reloxo construído polos xaponeses oscila 429.228.004.229.952 veces cada segundo. Exactamente.

John Harrison foi preciso até para morrer: finou o 24 de marzo de 1776, exactamente 84 anos despois do seu nacemento.

Ligazóns:

Outra historia do tempo
http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html

Reloxos atómicos
http://ciencia.msfc.nasa.gov/headlines/y2002/08apr%5Fatomicclock.htm

O reloxo máis preciso de todos os tempos
http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7397