El Reloj Atómico ¿Cómo representa el tiempo?

Estos son dispositivos para medir el tiempo, cuyo principio se basa en la física atómica. Debido a las propiedades de los elementos químicos utilizados en la construcción, el error de este reloj es mínimo. Por ejemplo, los dispositivos de torio-229 se retrasarán una décima de segundo en aproximadamente 14 mil millones de años.


El primer reloj atómico diseñado por el británico Louis Essen

Cómo funcionan los relojes atómicos

Durante siglos, la humanidad ha llevado la cuenta del tiempo basándose en los períodos de rotación de nuestro planeta. La lentitud e irregularidad de la rotación les impulsó a buscar nuevas formas de llevar la cuenta del tiempo. Así, aparecieron primero los relojes más sencillos: el reloj de sol, luego el reloj de arena, el reloj de péndulo, el reloj de agua y, a principios del siglo VIII, el reloj mecánico. No fue hasta más de mil años después, en 1952, cuando se inventaron los relojes electrónicos y de cuarzo.

Si en los relojes de cuarzo la frecuencia de referencia para determinar el segundo es el número de vibraciones de un cristal de cuarzo, entonces en los relojes atómicos se toma como la frecuencia de las transiciones de los electrones en los átomos de ciertos elementos químicos de un nivel de energía a otro.

Cuál es el punto: los átomos tienen electrones. Tienen energía. Al absorber o liberar energía, los electrones saltan de un nivel de energía a otro, absorbiendo o emitiendo ondas electromagnéticas, cuya frecuencia es siempre la misma. Este fenómeno se puede controlar: cuando un átomo se expone a la radiación de microondas, responde con una cierta cantidad de vibración.

Esta propiedad se utiliza para mejorar la precisión de las mediciones de tiempo. Por tanto, se reconoce que un segundo es la duración de 9192631770 ciclos de radiación. Esta frecuencia corresponde a la transición entre dos niveles de energía del átomo de cesio-133. Comparando la frecuencia de oscilación de un generador de cuarzo con la frecuencia de transición de los átomos del elemento, se registran las desviaciones más leves. En presencia de desviaciones, se ajustan las vibraciones del cuarzo.

No solo el cesio se usa en los relojes atómicos. Los dispositivos aparecen sobre la base de elementos químicos capaces de proporcionar una precisión de funcionamiento aún mayor: iterbio, torio-229, estroncio.

Por qué los relojes atómicos son precisos

La frecuencia vibratoria de un elemento químico es la misma y esto minimiza la posibilidad de error. Además, a diferencia de un cristal de cuarzo, los átomos no se desgastan ni pierden sus propiedades químicas con el tiempo.

Otros nombres para relojes atómicos: cuántico, molecular.

Cristales de cuarzo y átomos de cesio en movimientos de relojes

La idea de un cronómetro de ultraprecisión basado en la oscilación de las partículas de hidrógeno fue propuesta en 1879 por el físico inglés William Thomson. Sin embargo, no fue hasta 1955 cuando Louis Essen, del Reino Unido, pudo poner en práctica la idea e inventar el primer reloj atómico con partículas de cesio-133.

El aparato, del tamaño de una nevera grande, se llamó NBS-1, y las lecturas de su mecanismo constituyeron la base para definir el segundo dentro del Sistema Internacional de Unidades (SI). El segundo ha sido el tiempo que tarda un átomo de Cesio-133 (Cs-133) en realizar 9 192 631 770 transiciones de energía al ser expuesto a microondas.

Cápsula de cesio-133 y mecanismo de reloj atómico

Cualquier mecanismo de relojería capaz de medir los segundos tiene dos componentes:

  • Una acción física que puede repetirse un número invariable de veces por segundo;
  • Un contador que registra el número necesario de acciones y transmite una señal cuando ha transcurrido el periodo de tiempo.

En un reloj de cuarzo, por ejemplo, la acción física tiene lugar en un cristal de cuarzo de un tamaño determinado. Cuando el cristal se contrae y se expande bajo la influencia de una corriente eléctrica a una frecuencia específica de 32.768 Hertz, vibra una cantidad deseada, que es detectada por un contador y señala el giro de la manecilla en exactamente 1 segundo.

En un reloj atómico, los electrones del átomo cambian de nivel de energía cuando se exponen a un campo de microondas, y el contador registra el número de esas transiciones de energía por unidad de tiempo. El principio es básicamente el mismo, pero la precisión es muy diferente:

  • El reloj de cuarzo tiene una precisión de ±15 segundos al mes;
  • Los relojes atómicos de cesio distorsionan el tiempo 1 segundo en 138 millones de años.

¿Cómo mide el tiempo un reloj ultrapreciso?

Un dispositivo para medir la duración de un segundo en un mecanismo de reloj atómico incluye:

  • Una cámara de vacío;
  • Un oscilador de cuarzo que genera microondas;
  • Un detector que regula la frecuencia del oscilador;
  • Varios túneles para los átomos de cesio;
  • Cloruro de cesio (discriminante);
  • Filtro magnético.

Antes de entrar en los túneles, el cloruro de cesio se calienta. El calentamiento crea una corriente de gas con iones de cesio para que pase por el filtro magnético. El campo magnético libera los átomos de baja energía y los guía hacia el interior de la cámara donde, bajo la influencia de las microondas de un generador de cuarzo, comenzarán a cambiar de estado energético con una frecuencia de 9.192.631.770 ciclos por segundo.

Si el número de átomos de cesio modificados alcanza el máximo, el detector señala que la frecuencia del campo de microondas de cuarzo se ha elegido correctamente. En caso de que el detector no alcance el número máximo, el oscilador de cristal ajusta la frecuencia a 9 192 631 770 Hz.

Para que el ciclo se repita continuamente, el oscilador de cristal necesita electricidad. En el mecanismo se produce por un detector de átomos de alta energía.

Debido al circuito cerrado de los procesos y a las propiedades únicas del cesio, cuyas partículas más pequeñas no se desgastan, realizando un número inconcebible de transiciones de un nivel de energía a otro en un solo segundo, su mecanismo sigue siendo hoy el más preciso y estable del mundo.

Desde la invención del primer reloj atómico, muchos han experimentado con su discriminador, escogiendo átomos de otros elementos en un intento de mejorarlo. Sin embargo, han llegado a la conclusión de que sólo pueden utilizarse los que son insensibles a las influencias magnéticas y eléctricas externas.

Entre los más adecuados para ese papel:

  • Átomos de cesio, calcio, estroncio, rubidio;
  • Moléculas de metano, hidrógeno, yodo y óxido de osmio.

En 2006, un equipo de investigadores estadounidenses dirigido por Jim Bergquist presentó al público un reloj alimentado por el átomo de mercurio. Durante las transiciones energéticas de los iones de mercurio se producen fotones visibles, que son 5 veces más estables que los emitidos por el cesio.

Cuatro años más tarde, en 2010, los físicos del NIST consiguieron poner en marcha un reloj lógico cuántico alimentado por dobletes de mercurio. En lugar de utilizar la radiación de un oscilador de cuarzo, emplean la luz láser ultravioleta, que hace que los átomos de mercurio cambien de quantum. El error de dicho mecanismo es de 1 segundo en 15.000 millones de años.

En 2013 se lanzó el primer reloj de pulsera atómico de Bathys Hawaii. Se basan en el desarrollo de un chip atómico por parte de la empresa estadounidense Symmetricom. Su precisión es de 1 segundo por cada mil años.

En 2017, los científicos del NIST consiguieron utilizar una red tridimensional formada por tres mil átomos de estroncio en el reloj. Los estudios han demostrado que, a medida que aumenta el número de partículas más pequeñas en la red, también aumenta la precisión del tiempo. A pesar de estos avances, un reloj atómico de cesio con un oscilador de cuarzo en su interior sigue siendo la base de la medición del tiempo hasta nuestros días.

¿Para qué sirve un reloj atómico?

No hay mecanismo más estable en la tecnología actual que un reloj atómico. Incluso la conocida precisión de los relojes suizos es sin duda inferior.

Como las partículas atómicas no se ven afectadas por las variaciones de temperatura, humedad o vibraciones, así como por otras muchas condiciones ambientales, los movimientos atómicos son auxiliares indispensables en muchos ámbitos de la actividad humana:

  • Son responsables de la exactitud de la hora recibida de las estaciones base de telefonía móvil y de otros servicios de sincronización del reloj;
  • Sólo los relojes atómicos permiten el funcionamiento del sistema de navegación GPS, que determina las distancias en función del tiempo que tarda en recibir una señal desde la órbita;
  • Se utilizan para localizar satélites, cohetes, naves espaciales, submarinos y aviones.

La exploración espacial es simplemente impensable sin un cronómetro preciso. La mayoría de las estaciones espaciales modernas utilizan la interacción de las antenas terrestres con los relojes atómicos para navegar. Las antenas envían una señal específica a la nave espacial, que la devuelve. El intervalo de tiempo entre el envío y la recepción de la señal sirve para determinar la ubicación, la velocidad y la trayectoria de la nave espacial. Como la señal se transmite a la velocidad de la luz, las diferencias de tiempo de hasta nanosegundos son importantes para la precisión de los datos recibidos.

Para proporcionar cronómetros precisos a bordo para sus futuras misiones, la NASA está probando actualmente un nuevo desarrollo: el reloj atómico del espacio profundo (DSAC). A bordo, ayudará a los astronautas a rastrear su propia posición sin perder tiempo esperando que las señales bidireccionales de la Tierra les respondan. Una nave espacial con DSAC a bordo sólo necesitaría una señal unidireccional de una estación terrestre.

Un ser humano individual tendría poca necesidad de una precisión tan alta para el uso doméstico. Al fin y al cabo, teniendo en cuenta incluso la vida humana más larga, la precisión de un reloj de este tipo sería casi nula, y el coste del reloj alcanza más de 10.000 dólares.

Para los que siguen valorando la precisión de un movimiento atómico, los relojeros han desarrollado modelos con reloj de radio. Incorporan una antena capaz de recibir señales de seis estaciones de radio situadas en América del Norte y Eurasia, que, a su vez, están sincronizadas con la hora UTC (hora media de Greenwich), cuya precisión está controlada por el reloj atómico.
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