Orígenes: Cómo se inventaron los relojes

El día se divide de forma natural en dos mitades: oscuridad y luz. Los animales lo saben. Las plantas lo saben. Los seres humanos, en algún momento del pasado remoto, decidieron que ese binario no era suficientemente preciso y emprendieron el largo trabajo de dividir el tiempo en unidades más pequeñas y contables. Lo que siguió fueron cuatro mil años de instrumentos cada vez más precisos diseñados para responder a una pregunta que resulta, cuando se examina detenidamente, mucho más difícil de lo que parece.

El mito cómodo es el de que algún genial inventor produjo un reloj en un momento histórico concreto. La realidad es más interesante: la medición del tiempo se construyó por piezas, por distintas culturas a lo largo de diferentes milenios, cada una resolviendo un fallo específico de lo que había antes.

Egipto y el problema de la sombra

Los instrumentos de medición del tiempo documentados más antiguos son egipcios, del periodo del Imperio Nuevo, aproximadamente los siglos XV y XIV a. C. Dos tipos han sobrevivido en el registro arqueológico.

El reloj de sombra era un sencillo dispositivo en forma de T con un brazo horizontal que proyectaba una sombra sobre una escala graduada a medida que el sol avanzaba a lo largo del día. Por la mañana, se orientaba hacia el este. Al mediodía, se giraba hacia el oeste. Las horas que producía no eran de longitud igual —se expandían y contraían con las estaciones, dividiendo la luz del día en fracciones en lugar de rastrear la posición del sol con precisión matemática—, pero eran repetibles y, lo que es crucial, no requerían más que la luz solar para funcionar.

El reloj de agua egipcio, al que los griegos llamaron clepsidra, utilizaba un recipiente de piedra o cerámica graduado con un pequeño orificio calibrado en la base. El agua goteaba a una tasa aproximadamente constante, y el nivel interior indicaba qué parte del periodo medido había transcurrido. El ejemplar conservado más antiguo, hallado en el templo de Karnak y actualmente en el Museo de El Cairo, data del reinado de Amenhotep III en el siglo XIV a. C. Su superficie interior lleva doce columnas graduadas correspondientes a los doce meses del calendario egipcio —los diseñadores ya entendían que las tasas de goteo varían ligeramente con la temperatura, y habían incorporado la corrección—.

Los egipcios también utilizaban el merkhet, un instrumento de observación usado en parejas para marcar el paso del tiempo por la noche rastreando las posiciones de estrellas conocidas a través del meridiano. La medición del tiempo por tránsito estelar es, en principio, más precisa que la medición por sombra, pero requiere cielo despejado, horizonte libre y un sacerdote dispuesto a estar fuera a las 3 de la madrugada comprobando alineaciones. Era un instrumento especializado para un público especializado.

El problema de los relojes de agua

Los relojes de agua son teóricamente simples y prácticamente difíciles. El agua se congela. Se evapora. Su caudal varía con la temperatura y con la altura del agua sobre el orificio de salida, que disminuye continuamente a medida que el recipiente se vacía. Un recipiente parcialmente vaciado corre más despacio que uno lleno, lo que significa que cualquier reloj de agua sin mecanismo de corrección deriva sistemáticamente a lo largo del día.

Los constructores de elaborados relojes de agua en China y en el mundo islámico medieval abordaron estos problemas con considerable ingenio: cámaras de nivel constante, mecanismos de flotador, engranajes astronómicos. El reloj de agua construido por al-Jazarí a comienzos del siglo XIII incorporaba figuras automatizadas e indicadores de fases lunares. El reloj de la dinastía Song construido bajo la supervisión de Su Song hacia 1088 medía casi diez metros de altura e impulsaba una esfera armilar mediante una cadena de transmisión.

Pero el agua se congelaba en invierno, los mecanismos requerían mantenimiento constante, y estos elaborados artefactos no podían responder a la pregunta que acabaría por dejar obsoletos todos los relojes de agua: ¿puede oírse la hora desde el otro lado de una ciudad?

Las campanas lo cambiaron todo. En el momento en que un reloj pudo sonar, la medición del tiempo dejó de ser algo disponible solo para la persona que miraba el recipiente y se convirtió en algo compartido por todos los que estuvieran al alcance del sonido.

El escape

Los primeros relojes mecánicos aparecieron en Europa en algún momento de finales del siglo XIII. La primera evidencia documental clara es una referencia a un reloj mecánico en el priorato de Dunstable, en Inglaterra, en 1283, seguida de ejemplos documentados en Francia, Italia y los Países Bajos en los años 1290 y comienzos de 1300. Los monasterios son el probable lugar de nacimiento: los monjes necesitaban marcar las horas canónicas con precisión, tenían el incentivo institucional para invertir en la medición del tiempo y disponían de los recursos de metalurgia para experimentar con nuevos mecanismos.

La invención clave fue el escape de verga y foliot. Una verga es un husillo vertical con dos pequeñas proyecciones anguladas, llamadas paletas, que enganchan alternativamente los dientes de una rueda corona horizontal. Unido a la parte superior de la verga está el foliot, una barra horizontal con pequeños pesos ajustables en cada extremo. A medida que la rueda corona impulsada por pesos intenta girar, las paletas atrapan y sueltan cada diente de forma alterna, ralentizando la rotación hasta una secuencia de tic-tac controlada. El momento de inercia del foliot determina el ritmo; desplazar sus pesos hacia adentro acelera el reloj y desplazarlos hacia afuera lo ralentiza.

El mecanismo era tosco según los estándares posteriores. Los mejores relojes de torre de los siglos XIII y XIV se desviaban entre diez y quince minutos al día, lo que los hacía inadecuados para aplicaciones que requerían precisión. Lo que aportaban era regularidad —el mismo número de pulsos por hora, cada hora, cada día, con cualquier tiempo— y audibilidad. Las torres de iglesias de toda Europa fueron adquiriendo mecanismos de tañido mecánico a lo largo del siglo XIV, y el toque regular de las horas reestructuró la vida urbana en torno a un ritmo compartido y público. Los mercados abrían a la campana. Los procedimientos legales tenían plazos temporales. Los trabajadores negociaban horas en lugar de tareas.

Muelles y portabilidad

A comienzos del siglo XV, los artesanos de ciudades alemanas, en particular Núremberg, habían sustituido el motor de pesas por muelles metálicos enrollados. Los muelles permitían fabricar relojes lo suficientemente pequeños para llevarse. Los primeros relojes portátiles —a veces llamados relojes tambor o huevos de Núremberg, aunque la forma de huevo aparece más en la mitología posterior que en los ejemplos tempranos— eran carcasas redondas o cilíndricas que contenían mecanismos de muelle lo suficientemente precisos para indicar la hora aproximada y lo suficientemente caros para señalar la riqueza con énfasis.

El problema técnico de los motores de muelle era la inconsistencia. Un muelle enrollado entrega más fuerza cuando está completamente tenso y menos a medida que se relaja, lo que hace que la estabilidad del ritmo sea peor que con un motor de pesas, a menos que se corrija. La fusée —una polea de forma cónica que variaba la palanca mecánica a medida que el muelle se desenrollaba— se desarrolló hacia mediados del siglo XV y equilibraba el par entregado al escape a lo largo de todo el recorrido del muelle.

Los relojes de muelle hicieron posible, por primera vez, llevar el tiempo en el bolsillo. A mediados del siglo XVI, los relojeros de Augsburgo, Núremberg y Ginebra producían mecanismos en miniatura. El reloj de bolsillo como objeto cotidiano para personas adineradas surgió de esta tradición, aunque la precisión seguía estando limitada por la inestabilidad inherente al escape de verga.

Huygens y el péndulo

La medición mecánica del tiempo siguió siendo rudimentaria hasta 1656, cuando el físico y astrónomo neerlandés Christiaan Huygens aplicó una idea que Galileo Galilei había descrito décadas antes sin explotarla plenamente: los péndulos de longitud fija oscilan en periodos constantes, y este periodo depende de la longitud del péndulo más que del arco de la oscilación (dentro de ciertos límites).

Huygens construyó un reloj de péndulo utilizando esta propiedad y demostró una precisión hasta entonces imposible en un instrumento mecánico. El error diario bajó de los diez o quince minutos típicos de los mejores relojes de verga a menos de un minuto, y con refinamientos posteriores a pocos segundos por día. Huygens patentó su diseño en 1657 y el mecanismo se difundió rápidamente. Los relojes de pie —los relojes de caja alta de la cultura popular posterior— aparecieron a lo largo de los siglos XVII y XVIII como instrumentos de precisión asequibles para los hogares prósperos.

El escape de áncora, desarrollado hacia 1670 y atribuido tanto a Robert Hooke como a William Clement en diversas versiones, sustituyó al mecanismo de verga y permitió que los relojes de péndulo funcionaran en carcasas más compactas con un menor arco de oscilación, reduciendo la fricción y mejorando aún más la precisión.

El Premio de la Longitud y la solución de Harrison

A comienzos del siglo XVIII, quedaba un problema que los relojes de péndulo en tierra no podían resolver: encontrar la longitud en el mar. Un barco podía determinar su latitud midiendo el ángulo del sol del mediodía sobre el horizonte. Encontrar la longitud requería saber, simultáneamente, qué hora era en un meridiano de referencia fijo —Greenwich, por convención británica— mientras se observaba el mediodía local. La diferencia de hora, convertida a quince grados por hora, daba la longitud.

Esto exigía un reloj que mantuviera la hora con precisión en un barco en movimiento, a través de los cambios de temperatura de las distintas latitudes oceánicas, con el movimiento y la humedad de meses en el mar. Los relojes de péndulo fallaban inmediatamente en el mar; el movimiento de balanceo perturbaba el péndulo por completo.

El gobierno británico estableció el Premio de la Longitud en 1714, ofreciendo hasta 20.000 libras por una solución práctica. John Harrison, carpintero inglés y relojero en gran medida autodidacta, pasó la mayor parte del siglo XVIII respondiendo al problema mediante una serie de cronómetros marinos. Su cuarto diseño, terminado en 1759, utilizaba un mecanismo de reloj grande con un volante bimetálico compensador de temperatura y un escape de paleta muy refinado. Probado en un viaje a Barbados en 1761, mantuvo la hora con una desviación inferior a cinco segundos a lo largo de 81 días. La longitud que producía al llegar coincidía con la posición conocida de Barbados con una diferencia de menos de dieciséis kilómetros.

El cronómetro marino cuya viabilidad demostró Harrison se convirtió en el instrumento de navegación estándar durante el siglo siguiente, y todas las cartas oceánicas trazadas después de 1780 descansaban sobre la precisión de un reloj lo bastante pequeño para caber en una caja.

Después del péndulo

El siglo XX añadió dos capas más. Los osciladores de cuarzo, desarrollados comercialmente en la década de 1920, sustituyeron los escapes mecánicos por la vibración piezoeléctrica de un cristal de cuarzo, reduciendo el error diario a segundos por año. Los relojes atómicos, demostrados por primera vez a mediados de la década de 1950, miden el tiempo respecto a la frecuencia de resonancia de los átomos de cesio-133 y alcanzan precisiones que no pueden expresarse en términos de experiencia humana —los mejores pierden menos de un segundo en cientos de millones de años—. El GPS, los protocolos de tiempo de internet y la compensación financiera global dependen de ellos.

El sacerdote egipcio dejando caer agua a través de un orificio en un cuenco de piedra, y el reloj atómico que mantiene el estándar de tiempo global, están haciendo lo mismo. La precisión entre uno y otro representa todo el arco del desarrollo técnico humano registrado. La pregunta que responden no ha cambiado desde Amenhotep III.