Relojes atómicos: historias de una precisión que cambió el mundo
Los relojes atómicos son las máquinas más precisas jamás creadas por el ser humano. Desde el prototipo de amoníaco de Harold Lyons en 1949 hasta el estroncio atrapado en redes ópticas, marcaron la transición de la observación de los astros al dominio de la física cuántica. Hoy regulan el GPS, sincronizan la banca mundial y ponen a prueba la relatividad de Einstein. Pero también guardan historias curiosas: un prototipo con un reloj de pared encima, satélites «fallidos» que confirmaron teorías y científicos que se atrevieron a redefinir el propio segundo.
El primer reloj atómico del mundo tal como se presentó el 6 de enero de 1949, el día del primer El Dr. Harold Lyons (a la derecha), inventor del reloj atómico de célula de absorción de amoníaco, observa Fotografía de 1948 que muestra la parte trasera del primer reloj atómico y los componentes electrónicos
En 1949, el físico estadounidense Harold Lyons, en el National Bureau of Standards (hoy NIST), presentó el primer reloj atómico capaz de funcionar, basado en la molécula de amoníaco. La clásica fotografía de Lyons, con un reloj de pared colocado encima del prototipo, se volvió icónica: era la prueba de que aquella máquina de laboratorio, en apariencia un armario metálico, medía el tiempo de una forma inédita.
Louis Essen y el cesio que lo cambió todo
El salto decisivo llegó en 1955, cuando Louis Essen y Jack Parry, en el National Physical Laboratory (Reino Unido), construyeron el primer reloj de cesio 133 operativo. Essen ya tenía experiencia en la medición de la velocidad de la luz, y fue gracias a su rigor como el cesio adquirió la categoría de patrón. Fue ese trabajo el que, en 1967, llevaría a la redefinición del segundo en el Sistema Internacional de Unidades.
La definición del segundo y el papel de las instituciones
Desde 1967, el segundo es la duración de 9 192 631 770 oscilaciones del cesio 133.
Esta decisión, tomada en Sèvres, sacó la unidad básica del tiempo del ámbito astronómico (variaciones de la rotación de la Tierra) y la asentó en la estabilidad cuántica.
Desde 1967, el segundo se define como la duración de 9 192 631 770 oscilaciones de la radiación del átomo de cesio 133, una decisión tomada en Sèvres por la Conferencia General de Pesas y Medidas. Esta redefinición marcó la transición de la era astronómica a la era cuántica: se dejó de depender de la rotación irregular de la Tierra y se pasó a basar la unidad fundamental del tiempo en una propiedad inmutable de la materia. El cesio 133 fue elegido por su estabilidad, por la facilidad de manipulación en el laboratorio y por los resultados fiables ya obtenidos con el primer reloj atómico operativo de 1955.
Exactitud y estabilidad: una pareja protagonista
Dos conceptos recorren toda la historia: exactitud, que mide la proximidad al valor verdadero, y estabilidad, que mide la regularidad a lo largo del tiempo. El físico Jerrold Zacharias, del MIT, trabajó en relojes de cesio ya en los años 50 y ayudó a aclarar estos conceptos en aplicaciones prácticas.
Del laboratorio al espacio: ingenieros y científicos en el GPS y Galileo
El sistema GPS nació de equipos multidisciplinares en Estados Unidos, con la unión de físicos, ingenieros de satélites y militares. Los relojes de cesio y rubidio desarrollados por grupos como el de James Jespersen garantizaron la precisión inicial del sistema.
En Europa, el programa Galileo fue impulsado por equipos de la ESA y de la industria, con la contribución de especialistas en máseres de hidrógeno como John Vanier e ingenieros en Neuchâtel, Suiza. En 2014, cuando dos satélites quedaron en órbitas equivocadas, investigadores como Pacôme Delva aprovecharon la oportunidad para poner a prueba la relatividad general con los relojes de a bordo.
Del cesio a la luz: los pioneros de los relojes ópticos
La revolución óptica tiene protagonistas claros: Jun Ye, en el JILA, que dirigió el desarrollo de los relojes de estroncio más precisos del mundo; Hidetoshi Katori, en Tokio, que creó la arquitectura de «red óptica» para atrapar átomos de estroncio con láseres; y Thorsten Tamm, en el PTB alemán, que comparó patrones ópticos a largas distancias mediante fibra óptica. Estos científicos abrieron el camino a la geodesia cronométrica, un campo que revela diferencias de gravedad comparando relojes separados por cientos de kilómetros. Es ciencia de vanguardia sustentada en el latido de los átomos.
Tres pequeñas historias para contar en la pausa del café
1) Un reloj con otro reloj encima (1949). Para demostrar al público que su máquina era un reloj, Harold Lyons colocó un reloj de pared encima del prototipo de amoníaco. La imagen se convirtió en símbolo de la nueva era.
2) Louis Essen y la victoria del cesio (1955). Louis Essen se enfrentó a las críticas de varios astrónomos, que consideraban arriesgado sustituir la observación de las estrellas por la regularidad de un átomo como referencia para medir el tiempo. Décadas después, su persistencia fue reconocida: sin él, el segundo seguiría definiéndose por el movimiento irregular de la Tierra.
3) Satélites «fallidos» que confirmaron a Einstein (2014). Dos satélites Galileo en órbitas equivocadas se convirtieron en un laboratorio natural para poner a prueba la relatividad general. Un fallo de ingeniería se transformó en uno de los experimentos más elegantes de la física moderna.
¿Para qué sirve, al fin y al cabo, tanta precisión?
Navegación por satélite: sin relojes atómicos y correcciones relativistas, el GPS y Galileo perderían su utilidad en cuestión de minutos.
Redes de telecomunicaciones y banca: las transacciones financieras y los flujos de datos se ordenan al nanosegundo.
Ciencia fundamental: los relojes ópticos ponen a prueba constantes fundamentales, buscan variaciones sutiles a lo largo del tiempo y ofrecen geodesia cronométrica.
¿Y mañana?
Los relojes ópticos ya alcanzan precisiones del orden de 10⁻¹⁸, y ahora se debaten patrones basados en el estroncio o el iterbio para sustituir al cesio como definición oficial del segundo. Cuando llegue ese día, el mundo seguirá viviendo con normalidad — pero detrás de internet, de los satélites y de la ciencia de vanguardia, los protagonistas invisibles serán los físicos e ingenieros que, desde Harold Lyons y Louis Essen hasta Jun Ye y Hidetoshi Katori, transformaron la forma en que medimos el tiempo.
Participe
👉 Puede responder al Quiz 7 – Relojes atómicos aquí:
👉 Y puede asistir a la conferencia de Miguel Lino Diogo dos Santos en el Museu Medeiros e Almeida, el día 18/09/2025, de 18:00 a 20:00. La entrada es libre con inscripción previa: Inscripción en la conferencia
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