La pregunta suena a paradoja: ¿Cómo supo la persona que construyó el primer reloj a qué hora debía ajustarlo sin tener otro reloj como referencia? La respuesta es que no hubo un único relojero que inventara la medición del tiempo de la nada. Los humanos llevaban miles de años siguiendo el movimiento del Sol, las estrellas y el cambio de las estaciones antes de que aparecieran los relojes mecánicos.
Por: Joseph y Joshua Shavit – Brighter Side News
Los relojes de sol convertían la posición del Sol en tiempo visible. Los relojes de agua transmitían esas mediciones durante la oscuridad. Cuando surgieron los relojes mecánicos en la Europa medieval, sus fabricantes los calibraban con base en observaciones astronómicas locales, especialmente el mediodía solar, el momento en que el Sol alcanzaba su punto más alto en ese lugar.
Esos primeros relojes no introducían el tiempo. Intentaban preservar un tiempo que ya se leía en el cielo.
Sin embargo, la hora “correcta” no era idéntica en todas partes. La longitud variaba al mediodía, mientras que la latitud, la temperatura, el clima, la gravedad y el diseño mecánico afectaban la precisión. Por lo tanto, la historia de los relojes es también la historia de cómo el tiempo se expandió desde una observación local hasta convertirse en un sistema mundial.
El cielo proporcionó el estándar por primera vez
Las primeras medidas útiles del tiempo surgieron de la repetición de fenómenos naturales. El amanecer marcaba el comienzo del día, la puesta del sol el comienzo de la noche y las sombras en movimiento indicaban si el sol se acercaba al mediodía o lo sobrepasaba.
Los antiguos egipcios desarrollaron algunos de los primeros sistemas formales de medición del tiempo conocidos . Hacia el año 1500 a. C., utilizaban relojes de sombras y relojes de agua, mientras que grupos de estrellas llamados decanos ayudaban a dividir la noche. Algunos sistemas egipcios dividían la luz del día y la oscuridad en 12 partes cada una.
Esas horas no siempre eran iguales. La hora del día era más larga en verano y más corta en invierno, ya que el periodo entre el amanecer y el atardecer variaba según la estación. Las horas nocturnas variaban en sentido contrario.
La latitud también influyó. El cambio estacional en la duración de la luz diurna es mucho mayor en el norte de Europa que cerca del ecuador, por lo que un horario basado en el cielo egipcio no podía transferirse sin cambios a cualquier lugar.
Los primeros sistemas de medición del tiempo eran lo suficientemente precisos para la agricultura, el culto y el trabajo diario, pero seguían siendo locales. La gente necesitaba saber cuándo amanecía o cuándo llegaba el mediodía, no si los asentamientos distantes tenían la misma hora.
Los relojes de sol hacían visible el tiempo, pero solo a nivel local
Un reloj de sol utiliza un gnomon para proyectar una sombra en movimiento sobre las marcas horarias. Su fabricante podía determinar el mediodía observando cuándo el Sol alcanzaba su punto más alto y la sombra cruzaba el meridiano local.
La precisión dependía de la correcta alineación, la latitud, las condiciones meteorológicas y una lectura cuidadosa. Las nubes hacían que los relojes de sol fueran inutilizables, mientras que un gnomon mal colocado o la confusión entre el norte magnético y el norte verdadero introducían errores.
La distancia era importante porque la hora solar local varía con la longitud. La Tierra rota un grado cada cuatro minutos, por lo que dos relojes de sol separados de este a oeste por un grado de longitud tendrían una diferencia de aproximadamente cuatro minutos. En el ecuador, esa distancia es de unos 69 millas, o 111 kilómetros; a 40 grados de latitud, es de aproximadamente 53 millas, ya que las líneas de longitud convergen hacia los polos.
No existía una distancia fija que mantuviera sincronizados los relojes de sol. Dos relojes muy distantes entre sí, situados casi en la misma longitud, podían coincidir, mientras que los de pueblos más cercanos, al este o al oeste, podían diferir en varios minutos. Durante siglos, esto no supuso un gran problema, ya que cada comunidad mantenía su propia hora solar local.
Los relojes de sol también medían el tiempo solar aparente, que varía a lo largo del año debido a que la órbita de la Tierra es elíptica y su eje está inclinado. Dependiendo de la fecha, un reloj de sol puede adelantarse más de 14 minutos o atrasarse unos 16 minutos con respecto al tiempo solar medio uniforme. A medida que los relojes mecánicos mejoraron, los relojeros utilizaron tablas de corrección basadas en la ecuación del tiempo para convertir la lectura del Sol a un estándar más preciso.
Los relojes de agua marcaban el tiempo sin luz solar
Los relojes de agua medían el tiempo transcurrido permitiendo que el agua entrara o saliera de un recipiente. Unas marcas en el recipiente indicaban cuánto tiempo había pasado a medida que el nivel subía o bajaba.
Podían funcionar en interiores y de noche, pero aún necesitaban una referencia externa. Durante el día, un operador podía comparar un reloj de agua con un reloj de sol. Por la noche, los movimientos estelares conocidos proporcionaban puntos de calibración.
El flujo de agua no era perfectamente uniforme. La presión variaba al bajar el nivel del agua, la temperatura alteraba la viscosidad y los sedimentos podían obstruir la abertura. Posteriormente, los diseños griegos y romanos emplearon depósitos reguladores y otros mecanismos para mantener la presión más constante.
Un reloj de agua podía mantener la hora local después de la puesta del sol, pero no podía lograr que las ciudades lejanas coincidieran. Cada instrumento permanecía vinculado a las observaciones solares o estelares realizadas en el lugar donde operaba.
Los relojes mecánicos almacenaban la hora local
Los relojes mecánicos europeos aparecieron a finales del siglo XIII y principios del XIV. La mayoría utilizaba pesas que caían como fuente de energía y un escape que liberaba sus engranajes en pasos controlados.
Muchos de los primeros relojes no tenían minutero. Su función principal era hacer sonar las campanas para los servicios religiosos o las rutinas cívicas.
Un relojero podía ajustarlo observando un reloj de sol o determinando el mediodía local. Una vez calibrada, la máquina seguía contando incluso en la oscuridad y con tiempo nublado.
La precisión era limitada. Los primeros relojes mecánicos podían adelantarse o atrasarse aproximadamente 15 minutos al día, una precisión similar a la de un reloj de sol básico. Sin corrección, podían desfasarse más de una hora en una semana.
La temperatura, la fricción, el desgaste y las variaciones en la fuerza motriz alteraban la velocidad. Por lo tanto, los relojeros debían comparar el mecanismo periódicamente con el Sol y realizar las correcciones necesarias.
La distancia no afectaba directamente a los engranajes, pero sí a la interpretación de su lectura. Un reloj ajustado correctamente en una ciudad no coincidiría con otro reloj igualmente preciso situado más al este o al oeste, ya que cada uno seguía un mediodía local diferente.
El reloj mecánico era inicialmente un dispositivo para almacenar la hora de una comunidad entre observaciones astronómicas.
Los péndulos revelaron errores menores
El científico holandés Christiaan Huygens desarrolló el primer reloj de péndulo exitoso en 1656, basándose en investigaciones previas sobre el movimiento del péndulo realizadas por Galileo Galilei.
El movimiento regular del péndulo redujo los errores de minutos al día a segundos en condiciones favorables. Esta mayor precisión también reveló influencias que antes habían sido demasiado sutiles para detectarlas.
Las varillas metálicas del péndulo se dilataban con el calor y se contraían con el frío, modificando su longitud y velocidad. La presión del aire, la fricción y una superficie de montaje irregular también afectaban su rendimiento.
La gravedad generó otro problema que dependía de la ubicación. El período de un péndulo depende en parte de la aceleración gravitatoria, que varía ligeramente con la latitud y la altitud. Un reloj ajustado en una ciudad podría cambiar su ritmo al ser transportado a otro lugar.
Los observatorios astronómicos se convirtieron en centros de calibración. Los astrónomos observaban estrellas seleccionadas cruzar una línea fija norte-sur llamada meridiano y comparaban esos tránsitos con relojes reguladores.
Las observaciones repetidas revelaron no solo si un reloj estaba desfasado, sino también cuántos segundos ganaba o perdía cada día. La calibración del reloj se había convertido en un proceso medido, en lugar de un simple reinicio al mediodía.
Los cronómetros marinos permitían medir el tiempo a través de los océanos
Para determinar la longitud en el mar, era necesario comparar la hora local con la hora en un meridiano de referencia conocido.
La Tierra gira 15 grados cada hora. Si el mediodía local se produjo dos horas después del mediodía en el lugar de referencia, un barco se encontraba aproximadamente a 30 grados al oeste de ese meridiano.
Los errores de sincronización se traducían directamente en errores de posición. En el ecuador, un error de un segundo equivale aproximadamente a un cuarto de milla náutica de longitud. Cuatro segundos equivalen a casi una milla náutica.
Los relojes de péndulo comunes no podían sobrevivir al balanceo de un barco . Los cambios de temperatura, la humedad y las vibraciones también alteraban su precisión.
Durante el siglo XVIII, el relojero inglés John Harrison desarrolló cronómetros marinos diseñados para mantener la hora de referencia en alta mar. Se dice que sus relojes terrestres de precisión variaban solo alrededor de un segundo al mes, y su objetivo para un reloj marino portátil era lograr una precisión de aproximadamente tres segundos al día.
Antes de partir, se ajustaba un cronómetro a la hora de un puerto u observatorio. Los navegantes no lo reiniciaban durante el viaje. En cambio, determinaban el mediodía local a partir del Sol y lo comparaban con la hora de referencia registrada.
Los cronómetros se calibraban para determinar su ganancia o pérdida diaria habitual. Un error pequeño y constante podía corregirse matemáticamente. Uno impredecible era mucho más peligroso.
El cronómetro no hacía que las horas locales distantes fueran idénticas. Hacía que su diferencia fuera medible.
Los ferrocarriles obligaron a los pueblos a compartir el tiempo
La hora solar local seguía siendo viable mientras la mayoría de la gente viajaba despacio. El ferrocarril cambió eso.
Una ciudad situada a 160 kilómetros al este o al oeste de otra podría diferir en varios minutos, dependiendo de la latitud y la longitud. Las compañías ferroviarias no podrían operar horarios complejos de forma segura si cada estación se rigiera por su propio mediodía solar.
Los observatorios comenzaron a determinar la hora media a partir de observaciones estelares, manteniéndola con relojes reguladores y enviando señales a través de cables telegráficos .
Antes de mediados del siglo XIX, las ciudades británicas utilizaban la hora local determinada por el Sol. Los ferrocarriles adoptaron gradualmente la hora media de Greenwich, y el Real Observatorio distribuía señales horarias eléctricamente a ciudades distantes.
El telégrafo separó la medición del tiempo de la observación local directa. Dos relojes separados por cientos de kilómetros podían ahora seguir la misma referencia en lugar de diferentes relojes de sol.
Las señales eléctricas eran extremadamente rápidas, pero no instantáneas. Para horarios normales, los retrasos en la transmisión eran insignificantes. A medida que mejoraba la precisión, también fue necesario medir y corregir esos retrasos.
Los relojes de cuarzo reducen la deriva mecánica
Los relojes de cuarzo utilizan un cristal estimulado eléctricamente que vibra a una frecuencia estable. Los circuitos electrónicos cuentan esas vibraciones y las convierten en segundos.
Desarrollados a principios del siglo XX, los relojes de cuarzo demostraron ser más fiables que los de péndulo. Los primeros relojes de cuarzo del NIST, protegidos de vibraciones y perturbaciones ambientales, tenían una precisión de aproximadamente tres segundos al año.
Los cristales de cuarzo seguían viéndose afectados por la temperatura y el envejecimiento. Unos sistemas de precisión los colocaban en hornos controlados y los comparaban periódicamente con patrones astronómicos.
Las transmisiones de radio distribuían entonces la hora estandarizada a distancias mucho mayores que los cables telegráficos.
Con alta precisión, los usuarios debían tener en cuenta el tiempo que tardaba en viajar una señal de radio. Un receptor situado a miles de kilómetros de distancia recibía la señal más tarde que uno cercano al transmisor. La distancia había cambiado el efecto, pasando de modificar la hora solar local a retrasar la llegada de una referencia común.
Los relojes atómicos reemplazaron a la Tierra como patrón principal
Con el tiempo, los relojes de cuarzo se estabilizaron lo suficiente como para revelar que la Tierra no es un reloj perfectamente uniforme.
Las mareas, la circulación atmosférica y los cambios internos del planeta provocan pequeñas variaciones en su velocidad de rotación. Un segundo basado únicamente en la rotación de la Tierra no podría proporcionar la uniformidad que exige la ciencia moderna.
El primer reloj atómico se construyó en la Oficina Nacional de Estándares de Estados Unidos, ahora NIST, en 1949, utilizando amoníaco. Posteriormente, en 1955, se desarrolló un patrón atómico práctico de cesio en el Laboratorio Nacional de Física de Gran Bretaña .
Los relojes atómicos ajustan un oscilador electrónico a una transición natural entre estados de energía atómica. Dado que átomos idénticos proporcionan la misma referencia en condiciones controladas, son más estables que los ciclos mecánicos o astronómicos.
El segundo atómico se relacionó inicialmente con el segundo astronómico, más antiguo, midiendo cuántas oscilaciones de cesio se producían durante el intervalo establecido.
En 1967, el segundo se definió formalmente como 9.192.631.770 períodos de radiación asociados con una transición específica en el cesio-133.
Los laboratorios modernos comparan relojes atómicos utilizando satélites, enlaces de fibra óptica e instrumentos transportados. Deben corregir los errores causados por campos magnéticos, temperatura, movimiento atómico, retrasos en los equipos y la relatividad.
Un reloj situado a mayor altitud funciona un poco más rápido debido a la menor gravedad. El movimiento también modifica su ritmo. En la precisión de un reloj atómico, la posición y la velocidad del reloj forman parte de la calibración, no son detalles secundarios.
Los relojes ópticos y cuánticos van más allá del cesio.
Los relojes atómicos ya funcionan mediante la mecánica cuántica, pero los nuevos diseños ópticos y con mejoras cuánticas están extendiendo la precisión más allá de los estándares convencionales de cesio.
Los relojes de cesio miden una transición de frecuencia de microondas. Los relojes ópticos utilizan transiciones mucho más rápidas en átomos como el estroncio, el iterbio o el aluminio. Algunos atrapan un solo ion cargado, mientras que otros mantienen miles de átomos neutros en una red óptica formada por láseres.
Debido a que las frecuencias ópticas oscilan decenas de miles de veces más rápido que las microondas , dividen un segundo en intervalos mucho más finos. Los sistemas más avanzados alcanzan incertidumbres fraccionarias cercanas o inferiores a una parte en (10¹⁸). El NIST describe los relojes ópticos como candidatos para reemplazar al cesio en una futura definición del segundo.
Algunos instrumentos utilizan lógica cuántica, en la que un ion proporciona la señal de transición del reloj mientras que otro ayuda a enfriarlo y medirlo. Otros experimentos emplean entrelazamiento cuántico o compresión de espín para reducir el ruido de medición cuántica y alcanzar una alta precisión con mayor rapidez.
A este nivel, la distancia vertical se vuelve medible como una diferencia de tiempo. Los experimentos de relojes ópticos del NIST han detectado dilatación del tiempo gravitacional en diferencias de altura de menos de un metro, y trabajos posteriores midieron diferentes ritmos de reloj entre muestras atómicas separadas por tan solo un milímetro.
Los científicos que comparan relojes ópticos distantes deben conocer su potencial gravitatorio, elevación y movimiento. También deben corregir el ruido del láser, la radiación térmica, los campos magnéticos y los retrasos en los enlaces de fibra óptica, satélite o espacio libre.
Los relojes ópticos aún no han reemplazado al cesio como fundamento oficial del segundo. La Oficina Internacional de Pesas y Medidas continúa con una hoja de ruta formal hacia una posible redefinición óptica, que incluye pruebas que requieren que estándares independientes coincidan al nivel de (10⁻¹⁸).
Por lo tanto, los relojes más avanzados se enfrentan al mismo desafío fundamental que los antiguos relojes de sol : un reloj solo puede entenderse plenamente en relación con su ubicación y referencia.
Cada reloj heredó la hora de un estándar anterior.
Los primeros relojeros no adivinaban qué hora era. Se basaban en una cadena de referencias que se remontaba al cielo.
El Sol y las estrellas definieron los primeros periodos. Los relojes de sol mostraban la hora solar local. Los relojes de agua la conservaban durante la oscuridad. Los relojes mecánicos la almacenaban entre observaciones. Los péndulos revelaban la deriva diaria. Los cronómetros marinos llevaban la hora de referencia a través de los océanos. Las señales telegráficas y de radio sincronizaban ciudades distantes. Los cristales de cuarzo estabilizaron los estándares nacionales, y los relojes atómicos y ópticos transfirieron la definición del tiempo de la rotación de la Tierra a las transiciones cuánticas.
En cada etapa, la creciente precisión reveló nuevas fuentes de desacuerdo.
Los primeros observadores tuvieron que considerar la longitud, la latitud y el movimiento aparente irregular del Sol. Los relojeros mecánicos se enfrentaron a la fricción y la temperatura. Los navegantes midieron cómo los segundos de error se convertían en kilómetros de incertidumbre. Los laboratorios modernos tienen en cuenta los retrasos de las señales, el movimiento atómico y las diferencias gravitacionales medidas en centímetros o milímetros.
La pregunta original nunca fue simplemente: «¿Qué hora es?».
Durante la mayor parte de la historia, la pregunta clave ha sido: «¿Qué hora es aquí, en comparación con dónde, y cómo se puede medir con precisión esa diferencia?».
