Midiendo longitud y tiempo con Luz

El doctor Eric Rosas, experto en Óptica, explica cómo el uso de laser permite realizar mediciones más precisas y confiables

 

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 Eric Rosas es el Vicepresidente de la Comisión Internacional de Ópticos (2014-2017), miembro del Consejo Internacional de la Sociedad de Óptica (2015-2017), Presidente de la Red Iberoamericana de Óptica 2010-2013 y Presidente de la Academia Mexicana de Óptica 2008-2010 y del Comité Territorial en México para Óptica de la Comisión Internacional para Óptica. Desde 2001 y hasta 2012 fue el Líder de Fuentes Ópticas en el Centro Nacional de Metrología y desde 2013 es Jefe de la Oficina de la Propiedad Intelectual del Centro de Investigaciones en Óptica.

Texto original en inglés en el sitio oficial IYL2015.

En varios aspectos de la vida diaria nos enfrentamos a la necesidad de saber el valor de diferentes características de los objetos que usamos, adquirimos o comemos, etc., como checar el tiempo, el peso corporal, el nivel del combustible del vehículo, el consumo eléctrico en casa y muchas otras cantidades físicas, químicas y biológicas. Esta necesidad de conocer cuantitativamente el mundo también está presente en la metrología, la disciplina científica dedicada a la medición; una medición es la comparación entre una propiedad dada y una referencia conocida de la misma naturaleza, comúnmente conocida como medida estándar.

Metrología, fuente de confianza y bienestar

Así es como la metrología se vuelve una actividad de la más alta importancia económica, desde que permite a los países establecer mediciones estándar sustentadas técnicamente y altamente precisas, que son usadas para brindar confianza a sus transacciones comerciales dentro del país y con socios internacionales; de esta manera, por ejemplo, la tazas de cambio correctas pueden ser aplicadas en el momento exacto en que la moneda está siendo transferida entre instituciones financieras alrededor del mundo, las grandes cantidades de combustible pueden ser conocidas al momento de transferirlo entre buques, contenedores y pipas, los cientos de miles de toneladas de alimentos que se comercializan diariamente en todo el mundo pueden ser pesadas, las varias tarifas de telecomunicaciones pueden ser determinadas, en fin. Como resultado, el uso de referencias de alta precisión en la vida diaria fomenta la eficiencia del uso de energía, la protección al medio ambiente, el aumento de la productividad de naciones y, en consecuencia, el bienestar social. Para el desarrollo de todas las mediciones estándar requeridas, la comunidad internacional ha adoptado el sistema internacional de unidades (SI), conformado por siete unidades base: la candela (cd), el metro (m), el segundo (s), el kelvin (K), el mol (mol), el ampare (A) y el kilogramo (kg); además de todos sus múltiplos (kilo, meta, giba, etc.) y sub múltiplos (centi, mili, pico, nano, etc.), unidades derivadas (Newton, Pascal, m.s-2, etc.) y unidades aceptadas (grados plano, grados Celsius, etc.); lo cual está permanentemente realizado, mantenido y comparado con los varios institutos nacionales de metrología alrededor del mundo para proveerlos con referencias de medida altamente precisas garantizadas; y es, precisamente, aquí donde la luz juega un papel central, en la metrología moderna por el uso de una fuente láser altamente estable capaz de proveer la realización de unidades bases con niveles de precisión nunca antes alcanzados de otra manera.

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Luz láser produce metros exactos

La inserción de las fuentes láser en la medición moderna tuvo lugar cuando fue aceptada por la Comunidad Internacional de Metrología como la herramienta óptima para realizar metros, tal vez, una de las unidades base del SI más usadas, en términos de una de las constantes físicas más famosas: c, la velocidad de la luz al viajar en el vacío. A inicios de 1799 el metro fue realizado por una regla de platino-iridio que se supone ser igual a la diez billonésima de un meridiano de la Tierra, pero en 1893 el metro fue redefinido por primera vez en términos de longitud de onda (una longitud de onda es la distancia entre dos crestas o valles consecutivas en una onda de luz, la cual también está ligada a su frecuencia de oscilación, comúnmente relacionada al color que aquí aparece), en esta ocasión, correspondiente a la línea de emisión roja. Para 1960, cuando el láser cobró vida, la definición del metro cambió para estar ligada a la longitud de onda de la radiación electromagnética emitida como consecuencia de una de las transiciones del isótopo de Kriptón 86, pero algunos años después la longitud de onda y los experimentos de medidas de frecuencias hechos con láser producían estimaciones más precisas del valor de c, resultando que esta constante física fundamental fuera adoptada como la llave para una nueva definición de metro expedida en 1983, la cual consideró entonces la longitud de onda de cinco líneas de emisiones láser, pasando a 8 en 1992 y a doce en 1997. Actualmente hay veinte diferentes fuentes láser siendo usadas para la realización del mentor alrededor del mundo.

El avance en la tecnología de las fuentes láser ha permitido a los científicos conocer mejor los valores de transiciones estables de longitud de onda para varios átomos y moléculas, proveyendo así la estandarización del metro con niveles de precisión que nunca se hubieran podido lograr sin láser; además, la comunidad científica se las ha arreglado para construir sistemas de láser capaces de emitir luz con una longitud de onda que abarca amplias porciones del espectro electromagnético conocidos como peines ópticos que, indudablemente, proveerán incluso metros más precisos en el futuro cercano.

Los relojes ópticos producen segundos

La luz láser también influyó en la definición de segundo, la unidad base del tiempo para el SI. Aún cuando su definición actual se relaciona con el tiempo que toma una transición particular de un isótopo de Cesio 133, las tecnologías bajo desarrollo, como los relojes ópticos, usan láser y así confían una vez más en la constante física c. Después de la predicciones de Bose y Einstein de un nuevo estado de agregación de la materia, conocido como el condensado Bose-Einstein, y la invención del láser, éstos fueron usados para construir trampas magneto-ópticas, donde varias vigas láser apuntaban a diminutas nubes de átomos forzándolos a estar quietos y así bajar su temperatura hasta cerca del cero absoluto (0 K). Estas nuevas técnicas basadas en luz láser están siendo utilizadas para enfriar los átomos o moléculas para permitir un control más refinado de sus propiedades cuánticas definiendo la longitud de onda de sus emisiones, la clave adecuada para construir relojes precisos. Los resultados más recientes sugieren que en el futuro cercano esos relojes ópticos podrían ser capaces de producir el segundo más preciso jamás logrado.

El metro y el segundo son dos de las unidades base del SI cuyas definiciones y realizaciones han evolucionado marcadamente tras la incorporación de fuentes de luz láser y, de una manera similar, otras unidades del SI como la candela, el mol y tal vez incluso el Kelvin, podrían tomar ventaja de la luz láser en el futuro cercano, a fin de producir realizaciones más precisas y definiciones sofisticadas basadas en las constantes de la física fundamental.

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