El segundo, clave en los avances científicos, por Tomás Unger

Hay 59 países miembros del BIPM. El Perú no lo es, pero usa el sistema métrico y otras medidas globalmente aceptadas; EE.UU. y Reino Unido están entre los pocos que todavía emplean medidas antiguas, como la libra y la yarda.

El usar unidades diferentes puede resultar muy caro. La agencia espacial estadounidense (NASA) perdió cientos de millones de dólares cuando una sonda dirigida a Marte se perdió al confundir pies y pulgadas con el sistema decimal. Mientras la comunidad científica de EE.UU. usa principalmente –y desde hace décadas– el sistema métrico, hay muchas entidades que siguen empleando otras medidas. El mayor costo a largo plazo puede ser la competitividad.

–Unidades básicas–

El SI establece siete unidades básicas –que se refieren a cantidades o magnitudes– y de las que derivan el resto de sus unidades. Estas son el segundo, que mide tiempo; el metro, que mide distancia o longitud; el kilogramo, que mide peso o masa; el grado Kelvin, que mide temperaturas (el Kelvin está dado en grados centígrados); la candela, que mide luminosidad; el amperio, que mide corriente eléctrica; y la mol, que mide la cantidad de una sustancia en base al número de moléculas.

“Hoy, la definición formal del segundo por el sistema SI se basa en la vibración del átomo de cesio 133″.

–El tiempo–

De las unidades básicas, una de las más usadas en todo contexto es la del tiempo. El segundo, que tiene una larga e interesante historia íntimamente ligada al avance de la ciencia, merece el resto del artículo.

Es interesante ilustrar con algunos ejemplos lo que es un segundo en la vida diaria. Si soltamos una piedra desde una altura, en un segundo caerá 4,9 m. El hombre más rápido recorre 10 m por segundo. El sonido avanza a través del aire a 343 m/s, pero la luz demora solo 1,3 segundos para llegar a la Luna.

–El segundo–

Las primeras medidas se basaron en los fenómenos astronómicos más evidentes: una vuelta de la Tierra en su propio eje es un día, y una vuelta alrededor del Sol es un año.

El año resultó ser una medida aparentemente muy regular, pero el día, debido a la inclinación del eje de la Tierra, tiene una duración variable, dependiendo de la estación y latitud. Estas complicaciones hicieron difícil dividir el día en unidades de tiempo.

El sistema de dividir en 60 unidades se encuentra por primera vez entre los sumerios y babilonios para matemáticas y astronomía, hace más de 5.000 años. Se aplica por primera vez para medir el tiempo en los escritos del famoso matemático/astrónomo/cartógrafo persa Al Biruni (973-1048 d.C).

En la Edad Media, en Occidente, hubo intentos de establecer unidades menores, dividiendo el minuto en 20 y 30 unidades, pero sin ningún método comprobado para medirlas. El inglés Roger Bacon definió en 1267 el tiempo entre lunas llenas, usando latín, como ‘horae’, ‘minuta’, ‘secunda’, ‘tertia’ y ‘quarta’.

Fue recién en 1602 que Galileo Galilei descubrió la propiedad del péndulo para medir el tiempo, dado que su ritmo de oscilación depende de su longitud. Calculó que una longitud de péndulo de 49,7 cm demoraría un segundo en completar una oscilación; 60 segundos completarían un minuto y 60 minutos una hora, cuya duración para entonces había sido bien establecida.

Galileo diseñó pero nunca construyó un reloj de péndulo. El primero de estos –inspirado por Galileo– fue perfeccionado por el holandés Christiaan Huygens (1629-1695). Hasta la década de 1930, el reloj de péndulo fue el más preciso del mundo.

Con los años se llegó a la conclusión de que un péndulo más largo requiere menos oscilación en un espacio más angosto. Así nació el reloj con péndulo de 99,4 cm (cada oscilación marca dos segundos), llamado reloj de abuelo, ya que no ha tenido mayor modificación desde el siglo XVII.

La aproximación del reloj de péndulo, que progresó rápidamente, era suficiente para la mayoría de las actividades humanas, pero no servía para la navegación, porque el péndulo requiere una base estable. Fue el cronómetro marino de cuerda del inglés John Harrison (1693-1776) el que logró navegar sin problemas; variaba solo un segundo en 100 días.

“El sonido avanza a través del aire a 343 m/s, pero la luz demora solo 1,3 segundos para llegar a la Luna”.

–El reloj atómico–

Hoy, la definición formal del segundo por el sistema SI se basa en la vibración del átomo de cesio 133, que es 9.192′631.770 vibraciones por segundo (Hz). Debido a que la rotación de la Tierra varía ligeramente y no es exactamente 24 horas, cada cierto tiempo se añade un segundo para mantener los relojes sincronizados.

Pese a su enorme precisión, el reloj atómico tuvo un afinamiento reciente, al cambiar la manera de medir las vibraciones del cesio, usando espectroscopia con láser. Los físicos John Hall, Roy Glauber y Theodor Hänsch obtuvieron el Premio Nobel de Física el 2005 por su desarrollo de peines de frecuencia óptica que funcionan con un nuevo tipo de luz amplificada (láser). Esto permite medir la frecuencia de transiciones en átomos con una precisión de 1.015 puntos decimales. Un reloj atómico que usa este sistema podría ganar o perder un segundo cada 15.000 millones de años. Esta hazaña de precisión no tiene aplicación en la vida cotidiana, siendo mayor que la edad del universo.

Próximamente nos ocuparemos de las otras unidades básicas, que en algunos casos tienen historias pintorescas y han tardado siglos en encontrar una manera estable de definirlas.

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