Por qué los científicos dicen que hay que enviar relojes a la Luna, y pronto

(CNN) — Quizá la mayor rareza de nuestro universo sea el problema inherente a la medición del tiempo: los segundos pasan un poco más rápido en la cima de una montaña que en los valles de la Tierra.

En la práctica, la mayoría de la gente no tiene que preocuparse por esas diferencias.

Pero una renovada carrera espacial hace que Estados Unidos y sus aliados, así como China, se apresuren a crear asentamientos permanentes en la Luna, y eso ha vuelto a poner en primer plano las idiosincrasias del tiempo.

En la superficie lunar, un solo día terrestre sería aproximadamente 56 microsegundos más corto que en nuestro planeta, una cifra minúscula que puede dar lugar a importantes incoherencias a lo largo del tiempo.

La NASA y sus socios internacionales están tratando de resolver este problema.

Los científicos no pretenden crear una nueva "zona horaria" en la Luna, como han sugerido algunos titulares, explica Cheryl Gramling, responsable de Posición Lunar, Navegación, Cronometría y Normas del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Maryland. Más bien, la agencia espacial y sus socios pretenden crear una "escala de tiempo" o sistema de medición totalmente nuevo que tenga en cuenta el hecho de que los segundos pasan más rápido en la Luna, señaló Gramling.

El objetivo de la agencia es trabajar con socios internacionales para establecer un nuevo método de seguimiento del tiempo, específicamente para la Luna, que las naciones con capacidad espacial acuerden observar.

Un reciente memorando de la Casa Blanca también ordenaba a la NASA que trazara sus planes para esta nueva escala de tiempo antes del 31 de diciembre, calificándola de "fundamental" para los renovados esfuerzos de EEUU por explorar la superficie lunar. El memorando también pide a la NASA que ponga en marcha este sistema antes de finales de 2026, el mismo año en que la agencia espacial pretende devolver astronautas a la Luna por primera vez en cinco décadas.

Para los cronometradores del mundo, los próximos meses podrían ser cruciales para averiguar cómo mantener con precisión la hora lunar y llegar a acuerdos sobre cómo, cuándo y dónde colocar relojes en la Luna.

En palabras de Gramling a CNN, este marco será crucial para los humanos que visiten nuestro vecino celeste más cercano.

Los astronautas en la Luna, por ejemplo, van a salir de sus hábitats para explorar la superficie y llevar a cabo investigaciones científicas, dijo. También se comunicarán entre ellos o conducirán sus buggies lunares mientras estén en la superficie lunar.

"Cuando naveguen en relación con la Luna", dijo Gramling, "el tiempo tiene que ser relativo a la Luna".

Los sencillos relojes solares o las formaciones de piedra, que siguen las sombras cuando el sol pasa por encima, marcan la progresión de un día de la misma manera que las cambiantes fases de la luna pueden registrar el paso de un mes en la Tierra. Estos cronómetros naturales han mantenido a los humanos en hora durante milenios.

Pero quizá desde que los relojes mecánicos se impusieron a principios del siglo XIV, los relojeros se han vuelto cada vez más quisquillosos con la precisión.

La medición exacta de los segundos también se complicó a principios del siglo XX, gracias a Albert Einstein, el físico alemán que sacudió a la comunidad científica con sus teorías de la relatividad especial y general.

"Maldito Einstein, inventó la relatividad general y de ella se derivan muchas cosas extrañas", afirma Bruce Betts, científico jefe de la Sociedad Planetaria, una organización sin fines de lucro dedicada al espacio. "Una de ellas es que la gravedad ralentiza el tiempo".

La relatividad general es complicada, pero a grandes rasgos es un marco que explica cómo afecta la gravedad al espacio y al tiempo.

Imaginemos que nuestro sistema solar es un trozo de tela suspendido en el aire. Ese tejido es el espacio y el tiempo, que, según las teorías de Einstein, están inextricablemente unidos. Y cada cuerpo celeste del sistema solar, desde el Sol hasta los planetas, es como una pesada bola que se asienta sobre la tela. Cuanto más pesada es la bola, más profunda es la hendidura que crea, deformando el espacio y el tiempo.

Incluso la idea de un "segundo" terrestre es un concepto humano difícil de medir. Y fue la teoría de la relatividad general de Einstein la que explicó por qué el tiempo pasa un poco más despacio a menor altitud, porque la gravedad tiene un efecto más fuerte cerca de un objeto masivo (como nuestro planeta).

Los científicos han encontrado una solución moderna a todas las complicaciones de la relatividad para la medición del tiempo en la Tierra: para compensar las diferencias imperceptibles, han instalado varios centenares de relojes atómicos en distintos puntos del planeta. Los relojes atómicos son instrumentos ultraprecisos que utilizan la vibración de los átomos para medir el paso del tiempo y, de acuerdo con las teorías de Einstein, funcionan más despacio cuanto más cerca están de la superficie terrestre.

Las lecturas de los relojes atómicos de todo el mundo pueden promediarse para obtener una noción del tiempo lo más amplia pero precisa posible para el planeta Tierra en su conjunto, lo que nos da el Tiempo Universal Coordinado, o UTC. Sin embargo, ocasionalmente se tienen en cuenta los "segundos intercalares" para mantener el UTC en línea con los ligeros cambios en la velocidad de rotación de la Tierra.

Según Kevin Coggins, administrador adjunto y director del Programa de Comunicaciones Espaciales y Navegación de la NASA, esta metódica forma de medir el tiempo contribuye a que el mundo moderno gire, metafóricamente hablando.

"Si uno ha investigado el tiempo en la Tierra, se da cuenta de que es el factor crítico que lo hace posible todo: la economía, la seguridad alimentaria, el comercio, la comunidad financiera, incluso la prospección petrolífera. Utilizan relojes de gran precisión", afirma Coggins. "Está en todo lo importante de la sociedad moderna".

Espacio, tiempo: una cuestión permanente

Si el tiempo se mueve de forma diferente en las cumbres de las montañas que en las orillas del océano, puede imaginarse que las cosas se vuelven aún más extrañas cuanto más se aleja uno de la Tierra.

Para añadir más complicación: el tiempo también pasa más despacio cuanto más rápido se mueve una persona o una nave espacial, según la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Los astronautas de la Estación Espacial Internacional, por ejemplo, tienen suerte, afirma el Dr. Bijunath Patla, físico teórico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EEUU, en una entrevista telefónica. Aunque la estación espacial orbita a unos 322 kilómetros por encima de la superficie terrestre, también viaja a gran velocidad dando 16 vueltas al planeta al día, por lo que los efectos de la relatividad se anulan en cierto modo entre sí, explica Patla. Por esta razón, los astronautas del laboratorio orbital pueden utilizar fácilmente la hora terrestre para cumplir el horario.

Para otras misiones, no es tan sencillo. Afortunadamente, los científicos ya tienen décadas de experiencia en este campo.

Las naves espaciales, por ejemplo, están equipadas con sus propios relojes, llamados osciladores, explica Gramling.

"Mantienen su propia hora", explica Gramling. "Y la mayoría de las operaciones de las naves espaciales, incluso las que se encuentran en Plutón o en el Cinturón de Kuiper, como New Horizons, dependen de estaciones terrestres en la Tierra. Así que todo lo que hacen tiene que estar en correlación con el UTC".

Pero las naves espaciales también dependen de su propia hora, explica Gramling. Los vehículos que exploran las profundidades del sistema solar, por ejemplo, tienen que saber, basándose en su propia escala de tiempo, cuándo se acercan a un planeta en caso de que la nave espacial necesite utilizar ese cuerpo planetario con fines de navegación, añadió.

Durante 50 años, los científicos también han podido observar los relojes atómicos que se encuentran a bordo de los satélites GPS, que orbitan alrededor de la Tierra a unas 12.550 millas (20.200 kilómetros) de distancia, es decir, aproximadamente a una decimonovena parte de la distancia entre nuestro planeta y la Luna.

Según Patla, el estudio de estos relojes ha proporcionado a los científicos un excelente punto de partida para comenzar a extrapolar más allá, ya que se han propuesto establecer una nueva escala de tiempo para la Luna.

"Podemos comparar fácilmente los relojes (GPS) con los relojes terrestres", explica Patla, y añade que los científicos han encontrado una forma de desacelerar suavemente los relojes GPS, haciéndolos funcionar más en línea con los relojes terrestres. "Obviamente, no es tan fácil como parece, pero es más fácil que hacer un lío".

En el caso de la Luna, sin embargo, es probable que los científicos no intenten desacelerar los relojes. Esperan medir con precisión la hora lunar tal y como es, asegurándose al mismo tiempo de que pueda relacionarse con la hora terrestre, según Patla, coautor reciente de un artículo en el que se detalla un marco para la hora lunar.

El estudio, para que conste, también intentó determinar con exactitud la distancia entre la hora lunar y la terrestre, ya que las estimaciones han oscilado entre 56 y 59 microsegundos por día.

Según el estudio, los relojes situados en el ecuador de la Luna marcarían 56,02 microsegundos más rápido al día que los situados en el ecuador de la Tierra.

Reloj lunar

Lo que los científicos saben con certeza es que necesitan llevar a la Luna instrumentos de precisión para medir el tiempo.

Quién pagará exactamente los relojes lunares, qué tipo de relojes irán y dónde se colocarán son cuestiones que siguen en el aire, afirma Gramling.

"Tenemos que resolver todo esto", dijo. "Creo que aún no lo sabemos. Creo que será una amalgama de varias cosas diferentes".

Los relojes atómicos, señaló Gramling, son excelentes para la estabilidad a largo plazo, y los osciladores de cristal tienen ventaja para la estabilidad a corto plazo.

"Nunca hay que fiarse de un reloj", añade Gramling. "Y nunca te fíes de dos relojes".

Podrían colocarse relojes de varios tipos dentro de los satélites que orbitan alrededor de la Luna o quizá en los lugares precisos de la superficie lunar que algún día visitarán los astronautas.

En cuanto al precio, un reloj atómico digno de un viaje espacial podría costar unos pocos millones de dólares, según Gramling, y los osciladores de cristal serían bastante más baratos.

Pero, según Patla, se obtiene lo que se paga.

"Los osciladores más baratos pueden tener desviaciones de milisegundos o incluso de decenas de milisegundos", añade. "Y eso es importante porque, para la navegación, necesitamos que los relojes estén sincronizados a decenas de nanosegundos".

Una red de relojes en la Luna podría funcionar de forma concertada para informar de la nueva escala horaria lunar, al igual que los relojes atómicos lo hacen para la UTC en la Tierra. (Gramling añade que no habrá diferentes husos horarios en la Luna. "Ha habido conversaciones sobre la creación de diferentes zonas, con la respuesta: 'No'", dijo. "Pero eso podría cambiar en el futuro").

El reloj atómico CS2 se ve en el Instituto Técnico Físico PTB, el Instituto Nacional Alemán de Metrología, en el norte de Alemania el 11 de abril de 2008. Los relojes atómicos son instrumentos ultraprecisos que utilizan la vibración de los átomos para medir el paso del tiempo. Crédito: Focke Strangmann/AP

La nueva escala de tiempo sustentaría toda una red lunar, que la NASA y sus aliados han bautizado como LunaNet.

"Se puede pensar en LunaNet como si fuera Internet, o Internet y un sistema global de navegación por satélite combinados", explica Gramling. Es "un marco de normas que seguirían los contribuyentes a LunaNet (como la NASA o la Agencia Espacial Europea)".

"Y puedes pensar en los colaboradores como si fueran tu proveedor de servicios de Internet", añadió Gramling.
Crear un marco de este tipo significa sentar a la mesa a mucha gente de todo el mundo. Hasta ahora, dijo Gramling, las conversaciones con los socios estadounidenses han sido "muy, muy positivas".

No está claro si la NASA y sus socios en este esfuerzo, entre los que se encuentra la Agencia Espacial Europea, conseguirán el apoyo de países que no son aliados de Estados Unidos, como China. Gramling señaló que esas conversaciones se mantendrían a través de organismos internacionales de normalización, como la Unión Astronómica Internacional.

La precisión de los relojes es una cuestión. Pero cómo experimentarán el tiempo los futuros astronautas que vivan y trabajen en la superficie lunar es una cuestión totalmente distinta.

En la Tierra, nuestro sentido del día se rige por el hecho de que el planeta completa una rotación cada 24 horas, lo que da a la mayoría de los lugares un ciclo constante de luz diurna y noches oscuras. En la Luna, sin embargo, el ecuador recibe aproximadamente 14 días de luz solar seguidos de 14 días de oscuridad.

"Es un concepto muy, muy diferente" en la Luna, afirma Betts. "Y (la NASA) está hablando de alunizar astronautas en la muy interesante región polar sur (de la Luna), donde hay zonas permanentemente iluminadas y zonas permanentemente a la sombra. Se trata de una confusión totalmente distinta".

"Será un reto" para esos astronautas, añadió Betts. "Es muy diferente a la Tierra y la mentalidad es totalmente distinta".

Esto será así independientemente de la hora que marquen los relojes de los astronautas.

Sin embargo, la precisión en el cronometraje es importante, no solo para comprender científicamente el paso del tiempo en la Luna, sino también para establecer toda la infraestructura necesaria para llevar a cabo las misiones.

Lo bueno de crear una escala de tiempo desde cero, según Gramling, es que los científicos pueden aprovechar todo lo que han aprendido sobre el cronometraje en la Tierra y aplicarlo a un nuevo sistema en la Luna.

Y si los científicos pueden hacerlo bien en la Luna, añadió, podrán hacerlo bien más adelante si la NASA cumple su objetivo de enviar astronautas a mayores profundidades del sistema solar.

"Estamos muy pendientes de ejecutar esto en la Luna, aprendiendo lo que podamos aprender", dijo Gramling, "de modo que estemos preparados para hacer lo mismo en Marte o en otros cuerpos futuros".