El tiempo ya no es sólo arena en un reloj de arena. Necesitamos algo mejor.
El siglo XVII nos regaló el reloj de pie, el péndulo que gobernó la precisión durante siglos. Matteo Brunelli del Collège de France y su equipo observaron este diseño clásico. Luego hicieron una pregunta capciosa. ¿Podrá sobrevivir a la mecánica cuántica?
Resulta que sí se puede. Pero no se parece en nada a la antigüedad de tu pasillo.
El tic de tres partes
Cada reloj de pie tiene tres entrañas.
Primero, el péndulo. Gira hacia la izquierda y hacia la derecha, definiendo la garrapata.
En segundo lugar, las pesas. Caen gracias a la gravedad, lo que le da al péndulo energía para seguir adelante.
En tercer lugar, el escape. Este es el sistema nervioso. Convierte el vaivén del péndulo en la marcha de las manecillas del reloj. Le da una pequeña patada al péndulo. Sin él, la fricción mata el movimiento. El escape garantiza que cada movimiento sea del mismo tamaño.
El equipo de Brunelli no se limitó a imaginar una versión cuántica. Construyeron un modelo matemático para ello.
Aquí está el plano:
Una cavidad. Dos espejos uno frente al otro. Uno fijo, el otro oscilante.
Un átomo se encuentra entre ellos. Este átomo tiene tres niveles de energía. Las fluctuaciones de temperatura en la habitación hacen que el átomo salte entre estos estados. Cuando salta, podría escupir un fotón. Ese fotón rebota entre los espejos. Esta ligera presión empuja un espejo. De aquí para allí. De aquí para allí.
Esto imita la caída del peso.
¿Pero qué pasa con el escape? Ahí es donde se vuelve extraño.
El átomo mismo es el escape. Se mueve repetidamente a través de sus estados de energía. Este ciclo fuerza una secuencia de tics y toks. Brunelli afirma que éste es el mecanismo de escape más pequeño físicamente posible. Sus matemáticas sugieren que si sintonizas correctamente el sistema, este dispositivo cuántico alcanza un ritmo estable. Confiable. Preciso. Como deberían ser el latón y la madera.
Rompiendo los límites
Esto no es sólo un truco de salón teórico. El nuevo reloj rompe una regla conocida.
Los relojes autónomos del pasado tuvieron problemas. Eran menos precisos porque sus oscilaciones no eran perfectamente uniformes. Confiaban en controles externos como láseres. El diseño de Brunelli es autónomo. Funciona como un motor termodinámico autónomo. No se necesitan láseres para mantenerlo estable.
Más importante aún, rompió la relación de incertidumbre termodinámica. Este es un límite estricto de la precisión que puede ser un reloj en relación con la entropía que genera. La precisión suele requerir irreversibilidad: es decir, un esfuerzo para retroceder. El nuevo reloj cuántico consigue ser increíblemente preciso respetando esta ley física. Maximiza la irreversibilidad para un cronometraje óptimo.
Por qué es importante
Entonces, ¿por qué construir un reloj hecho de espejos y átomos individuales?
Sreenath Manikandan del Instituto Tata de Investigación Fundamental cree que se trata de una gran noticia. Sostiene que los relojes autónomos son la forma más pura de cronometraje. No toman prestada la precisión de otro dispositivo. Ellos lo crean.
¿De qué otra manera podemos entender el tejido del tiempo si no podemos construirlo desde cero?
Comprender estos mecanismos ayuda a explorar la física hasta sus límites. Específicamente, la gravedad en el ámbito cuántico. Si podemos perfeccionar este reloj, podríamos ver cómo interactúa la gravedad con los objetos cuánticos. Es deseable tener un conocimiento profundo de cómo funciona un reloj. Este trabajo proporciona un avance importante hacia ese objetivo.
El camino por delante
Las piezas están en su mayoría aquí. ¿Pequeñas cavidades y fotones? Tarifa de laboratorio común.
¿Pero ponerlos juntos en un mecanismo de escape que funcione? Eso es difícil. La novedad lo hace técnicamente desafiante. Requiere una precisión que no existe en el mercado.
Brunelli se muestra cautelosamente optimista. No es descabellado construir. Pero hará falta trabajo. Tenemos el diseño. Tenemos la teoría.
Ahora sólo nos queda coger las garrapatas.
