1. ¿Qué es hoy un segundo, y qué era antes?
Antes de 1960, el segundo era la fracción 1/86 400 del «día solar medio», es decir, de un día promedio a lo largo del año. Qué significaba exactamente «día solar medio» lo decidían los astrónomos [1].
Hoy el segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación asociada a una transición entre dos niveles de energía del átomo de cesio 133 [3]. Dicho de forma sencilla: un reloj atómico cuenta las «oscilaciones» de una luz de microondas que emite ese átomo, como quien cuenta los vaivenes de un columpio increíblemente regular.
Entre una definición y otra hubo dos cambios. La pregunta que sigue esta página es: ¿qué fallaba en el día, y cómo se cambió sin alterar la duración del segundo?
2. ¿Qué tiene que ver un péndulo con el segundo?
Dividir el día en 86 400 partes no sirve de mucho si no hay un reloj capaz de marcarlas. Según un resumen de APS News (la revista de la Sociedad Americana de Física), el reloj de péndulo que patentó Christiaan Huygens en 1657 se desviaba unos 15 segundos al día, frente a unos 15 minutos de los relojes anteriores [2]. Con ese margen, por primera vez tenía sentido contar segundos.
Los péndulos tienen una propiedad curiosa. Un péndulo ideal de unos 99,4 cm tarda exactamente un segundo en ir de un lado al otro (y dos en ir y volver). Es un cálculo sencillo: con la gravedad estándar, 9,80665 m/s², la longitud sale de g dividido entre π², o sea 0,9936 m. Un hilo con una pesa, casi un metro justo.
Esa coincidencia dio una idea: ¿y si el metro se definiera como la longitud del péndulo de un segundo? Se propuso en el siglo XVII y de nuevo en Francia a finales del siglo XVIII [4]. No se adoptó, y la razón conecta con nuestra pregunta.
3. ¿Por qué el péndulo de un segundo no se convirtió en el metro?
Porque su longitud cambia según el lugar. El astrónomo Jean Richer, que trabajó en Cayena (Guayana Francesa, cerca del ecuador), notó que allí el péndulo debía ser algo más corto que en París; la gravedad no es igual en todas partes [4]. Las fuentes no coinciden en la cifra exacta (unos dos o tres milímetros), así que solo podemos decir que la diferencia existe y es de milímetros. Para un hilo en casa no importa, pero un patrón mundial debe dar lo mismo en París, Ciudad de México o Madrid.
Esto también nos da una pista sobre cómo elegir una unidad de tiempo: no debería depender del lugar ni del momento. El metro se definió por otro camino, y quedó la pregunta incómoda de si el «día», en el que se apoyaba el segundo, cumple esa condición.
4. ¿Por qué la rotación de la Tierra no sirve como patrón del segundo?
La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) lo dice claramente: las medidas mostraron que las irregularidades de la rotación de la Tierra hacían insatisfactoria la definición de 1/86 400 del día solar medio [1]. En pocas palabras, el «reloj» que daba la definición no marchaba con regularidad. Un patrón que cambia no sirve para medir otras cosas con la misma precisión.
La solución de 1960 fue cambiar el día por el año. La 11.ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) ratificó una decisión de 1956 del comité internacional y definió el segundo como la fracción 1/31 556 925,9747 del año trópico (el que va de una primavera a la siguiente, por así decirlo) correspondiente a 1900 [5]. Fijar el año de 1900 evita que el propio año, que también varía un poco, se convierta en otro patrón móvil.
Si divides 31 556 925,9747 entre 86 400 obtienes casi 365,2422 días, la duración conocida del año. Así el segundo nuevo conectaba con el viejo: seguía siendo, casi exacto, el 1/86 400 de un día.
Pero medir un año con telescopios exige observar durante años. Había una opción mejor esperando.
5. ¿De dónde sale el número 9 192 631 770 y cómo se evitó cambiar la duración del segundo?
En 1955, Louis Essen y Jack Parry construyeron en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido el primer reloj atómico de cesio operativo. Se estimaba que se adelantaría o atrasaría un segundo en unos 300 años [6].
Había un problema: si simplemente se decía «un segundo son tantas oscilaciones del cesio», habría que elegir un número cualquiera, y el segundo nuevo duraría distinto del viejo. Los registros científicos de décadas dejarían de ser comparables. Así que se hizo lo contrario: primero se midió cuántas oscilaciones del cesio caben en el segundo que ya existía. En 1958, William Markowitz, del Observatorio Naval de EE. UU., junto con Essen, comparó el cesio con el «segundo de efemérides», el de 1960 derivado del año, que se obtenía observando la Luna. El resultado fue 9 192 631 770 Hz, con una incertidumbre de unas 2 o 3 partes en mil millones. Un resumen del artículo de Physics Today señala que esa limitación venía de las observaciones astronómicas, no del reloj atómico [7].
En 1967, la 13.ª CGPM tomó ese número y definió el segundo como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación del cesio 133 [3]. El número parece caprichoso porque no se eligió: es lo que salió al medir contra el segundo anterior. Según el artículo de Physics Today, desde que se adoptó la definición el número dejó de ser una medida y pasó a ser un valor exacto por definición [7].
En 2018 la 26.ª CGPM redactó de nuevo la definición: ahora se fija el valor de la frecuencia del cesio en 9 192 631 770 Hz, y la nueva redacción entró en vigor el 20 de mayo de 2019 [8]. La BIPM la describe como una redacción más precisa de la misma definición [1]: el segundo no cambió de duración.
6. ¿Va a cambiar otra vez la definición del segundo?
Es posible. En 2022, la 27.ª CGPM señaló que ciertos relojes ópticos, que usan luz visible en vez de microondas y otros átomos, ya superan hasta en un factor de 100 la exactitud con la que se realiza la definición actual [9]. Se discute qué átomo o átomos elegir y cuándo; lo que he podido confirmar es que es un debate abierto, no una decisión tomada. Si llega, seguramente repetirá el truco de siempre: medir el nuevo patrón contra el segundo de hoy para que ninguna medida pasada deje de valer.
La idea que une toda la historia: no se trata de que el segundo sea «más corto» o «más largo», sino de que todos, en cualquier lugar y año, tengan el mismo segundo.
7. ¿Cómo puedo comprobar en casa el péndulo de un segundo?
Puedes probarlo con un hilo y una pesa pequeña (una tuerca o unas monedas atadas). Pide ayuda a una persona adulta para fijar el extremo del hilo en un lugar firme, como el borde de una estantería, y asegúrate de que la pesa no pueda golpear a nadie ni a nada. Haz que el hilo mida unos 99 cm desde el punto de sujeción hasta el centro de la pesa, y déjala oscilar con un vaivén corto, sin apartarla mucho de su posición de reposo.
Mide con un cronómetro o con el del teléfono cuánto tardan 10 idas y vueltas. Si todo va bien, deberían salir cerca de 20 segundos, es decir, 2 segundos por ida y vuelta. Si no sale justo, acorta o alarga un poco el hilo y repite: así funcionaban los relojeros de antes. Para seguir leyendo, la página de historia del segundo del BIPM (en inglés) resume los cambios de definición con sus fechas [1].