El tiempo

Para ser una de las magnitudes físicas que más manejamos en nuestro día a día el tiempo es todavía uno de los misterios de la ciencia. Es cierto que podemos cuantificarlo mediante relojes de menor o mayor precisión. Pero en muchas ocasiones continúa sorprendiéndonos las cualidades que puede adoptar.

Imagen 1. Mecanismo interno de un reloj mecánico. Imagen original de: Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=472449

Definición del tiempo

El tiempo es la magnitud con la que medimos la separación de eventos o sucesos. Su unidad en el Sistema Internacional es el segundo s. Dependiendo del tipo de mecánica que estemos considerando el tiempo tiene unas cualidades u otras, aunque, como es una sucesión de eventos, se puede definir un pasado y un futuro.  Según la física actual, el tiempo es una coordenada más en los cálculos de movimiento, etc. de los sistemas. Es decir, cuando queremos definir algo que ha tenido o tendrá lugar no decimos únicamente la posición, sino que también es necesario clarificar cuándo. Por ejemplo, cuando queremos quedar con alguien para tomar unas copas no decimos solamente “en el bar de la esquina”, sino “en el bar de la esquina a las diez”.

  • El tiempo en mecánica clásica.

En mecánica clásica el tiempo es absoluto para todos los observadores. Es decir, si dos eventos ocurren de forma simultánea para un observador esos mismos eventos serán también simultáneos para otro, sea cual sea la posición y velocidad que tenga con respecto al primero. A los eventos simultáneos a uno concreto que estemos considerando se los denomina presente (aquellos que no ocurren ni antes ni después del suceso concreto que estemos considerando).

  • El tiempo en mecánica relativista.

En mecánica relativista las cosas cambian un poco con respecto a la concepción que se tenía en la mecánica clásica y que parece contradecir lo que observamos en nuestra vida cotidiana. A través del desarrollo de la teoría de la relatividad, teniendo en cuenta que la velocidad de la luz tiene un valor absoluto y no hay nada que se desplace a mayor velocidad, se deriva que dos acontecimientos que eran simultáneos en la concepción clásica no tienen por qué serlo según los resultados relativistas. El que dos acontecimientos sean simultáneos dependerá de las posiciones en el espacio-tiempo de los observadores y, sobre todo, de la velocidad y aceleración que posea uno con respecto al otro. En todo esto viene implícito el hecho de que no puede existir ningún intercambio de información instantánea, puesto que para que esto sucediese la información debería desplazarse por encima de la velocidad de la luz (resultado imposible según lo observado actualmente).

Durante el desarrollo de la mecánica relativista, se establecieron numerosas “paradojas” en las que la teoría parecía arrojar un resultado imposible según el mundo que conocemos. Gran parte de ellas como, por ejemplo, la paradoja del granero se resuelven teniendo en cuenta que para un observador dos hechos (como que se abra o se cierre una puerta) no ocurren a la misma vez para otro observador. Para el que se desplaza simplemente un suceso ocurre antes que el otro.

Aun así, independientemente del sistema de referencia desde el que estemos observando los sucesos y de que unos sean simultáneos para nosotros o no, siempre se debe mantener el principio de causalidad. Es decir, si para que ocurra el evento A es necesario que B ocurra antes debe ser de esta manera en todos los sistemas de referencia, independientemente de que para ti A haya ocurrido a las 10:00 y para otra persona a sus 16:00. Obviamente no te puede llegar un mensaje si alguien no te lo envía primero.

El tiempo se define como positivo.  Por ejemplo, si ha llegado un paquete a las 15:00 horas y lo estás abriendo más tarde nunca marcamos la llegada del paquete como las  menos cuatro horas.

La medida del tiempo: relojes

A diferencia de otros aparatos de medida con los que siempre nos liamos con el nombre (pluviómetro, anemómetro, etc…) todos conocemos el nombre del objeto que mide el tiempo: el reloj. Existen muchos tipos de relojes con diferentes mecanismos de contabilización del tiempo que han ido apareciendo a lo largo de la historia y en diferentes culturas.  El reloj de sol, por ejemplo, que calcula el tiempo según la sombra del sol, el famoso reloj de arena que sale en muchas películas, el reloj de agua, el reloj de cuerda, los relojes electrónicos y por último, el más preciso de ellos, el reloj atómico.

En los relojes atómicos el tiempo se mide mediante la frecuencia de resonancia de un átomo [1], que funcionan como osciladores con una precisión enorme. Los primeros relojes atómicos tenían un error de en torno a 1 segundo cada 30 000 años. Los relojes atómicos utilizados actualmente tienen un error de 1 segundo cada 3700 millones de años.

Imagen 3. Reloj atómico en circuito integrado. Imagen original de: Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=102127

La definición del segundo procede precisamente del funcionamiento de los relojes atómicos, pues se toma como la duración de 9192631770 ciclos de radiación de la transición entre dos niveles del estado fundamental del cesio 133 a la temperatura del cero absoluto en reposo. [2] Como la precisión de esta medida es muy alta, la mayoría de unidades del sistema internacional están relacionadas de una u otra forma con la definición del segundo.

Definiciones de días, meses y años, y hora UTC

Otro problema al que nos hemos enfrentado desde la antigüedad es cómo definir la longitud de un día, un mes o un año. Muchos pensaréis que con medir el tiempo que tarda el sol en volver a salir otra vez al día siguiente debería ser suficiente. Pero esto sería demasiado fácil y bonito como para ser cierto. Los días no tienen la misma duración y tan solo podríamos establecer una media anual tomando medidas para todos los días del año. Además, existen varias definiciones de día según el objeto del cielo que tomemos como referencia para medir el paso del tiempo. El día sidéreo es aquel que medimos tomando como referencia la posición de las estrellas en el firmamento y el día solar con respecto al mediodía promedio medido respecto al sol. Ambos valores son similares pero difieren en unos minutos, error que se arrastra a medida que pasa el tiempo.

Imagen 4. Esquema de la precesión del eje terrestre. Imagen original de: De Caliver – Trabajo propio, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10594021

No solo es complicado establecer una definición de día, sino de meses y años. La posición de la Tierra con respecto al sol y las demás estrellas de la galaxia cambia a lo largo del tiempo debido a la precesión de los polos terrestres. Este valor es pequeño pero no es despreciable para valores temporales del orden de años. La diferencia entre el año trópico (medido con respecto a los equinoccios) y el sidéreo difiere en 0.01 días pero es suficiente como para que durante varias épocas se desarrollaran diferentes calendarios, añadiendo años bisiestos según fórmulas concretas, para corregir esta diferencia. Es el caso del calendario Gregoriano y Juliano, ambos diseñados por la iglesia católica para establecer correctamente las fechas a medida que se necesitaba mayor precisión.

Actualmente el tiempo se coordina mundialmente mediante el UTC (tiempo universal coordinado en inglés). Este tiempo está definido a partir del tiempo UT1 (promediado a partir del medido tomando como referencia el Sol y las estrellas lejanas ) con corrección de segundos mediante relojes atómicos. El valor del UTC está definido por el meridiano de Greenwich que atraviesa, entre otros, parte de la península ibérica y reino unido. Todos los relojes de nuestros smartphones se coordinan a través de este tiempo, que se utiliza en todo tipo de cálculos astronómicos para situar las coordenadas de las estrellas desde los observatorios terrestres. Los relojes son también el motivo por el cual podemos orientarnos según la longitud, mientras que la latitud se puede obtener de la posición de las estrellas sobre nuestro horizonte de observación.

Imagen 5. Tiempo exacto según UTC en el momento de escritura de este artículo. Página de origen: https://www.timeanddate.com/worldclock/timezone/utc , fecha 23/11/2018

El tiempo es la magnitud física que más utilizamos en nuestro día a día. Todos llevamos un aparato de medida del mismo en nuestra muñeca o bolsillo y nuestro día está marcado por lo que estos midan en cada momento. Por ello mismo no es de extrañar que nos preocupe tanto el que esté definido de la forma más precisa posible. Y que lo que más nos impresione de los sorprendentes descubrimientos que nos trajo la mecánica relativista y sus desarrollos posteriores sean precisamente los que tienen que ver con él. Los que cambian totalmente nuestra percepción de la realidad, desdibujando las concepciones de presente, pasado y futuro de nuestro mundo.

 

 

Referencias

[1]  D.B. Sullivan (2001). «Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years»2001 IEEE International Frequency Control SymposiumNIST.

[2]  “International System of Units (SI)” (PDF) (8th ed.). International Bureau of Weights and Measures (BIPM). 2006

Imagen de portada: De Arne Nordmann (norro), Germany – Fotografía propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=191488

 

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