Tik-tak atomo batean

(Argazkia: G. Roa)

Zesio-atomoen oszilazioak markatzen ditu munduko estatu guztien denbora ofizialak. Europan, adibidez, erloju atomikoen sare batek egiten du lan hori. Gutxi gorabehera, 300 erloju dira, eta horietatik garrantzitsuenak Alemaniako PTB erakundearenak dira, Alemaniako Metrologia Zentroarenak.

Egia esan, 33 segundoko desfasea dago sare horrek ematen duen denbora ofizialaren eta praktikan erabiltzen diren denboren artean, eta erloju atomikoak erabiltzen hasi izanaren ondorioa da desfase hori.

Erloju atomikoen sareak International Atomic Time izeneko denbora ematen du, Nazioarteko Denbora Atomikoa. "Hori da gizakiak eskaintzen duen denbora-eskalarik onena" dio Robert Wynands Alemaniako PTBko adituak. Baina, erloju atomiko horiek erabili baino lehen, segundoaren definizioa behaketa astronomikoetan oinarritzen zen; hain zuzen ere, 200 urteko behaketen batez besteko datuekin kalkulatutakoa zen segundoa.

Lurra ez da erloju bat

Lurraren eguna zehatz neurtuta, ordua, minutua eta segundoa defini daitezke. Baina 200 urtean Lurraren errotazioa aldatu egin da, etengabe ari delako aldatzen. Ilargiaren marea-indarraren frikzioa balaztatzen ari da, eta, ondorioz, eguna luzatzen ari da, Lurrak denbora gehiago behar duelako bira bat egiteko (dinosauroen garaian, 23 ordu inguru zuen egunak, eta urtea 380 egunekoa zen). Azkenean, zesio-atomoaren oszilazioz definitutako segundoa eta segundo 'astronomikoa' ez dira berdinak, eta horrek 33 segundoko desfasea eragiten du.

Segundo atomikoa definitu zutenean, ez zegoen bien arteko alderik; segundo astronomikoaren balio bera eman zioten. "Beste edozein erabaki burugabekeria bat izango litzateke", dio Wynandsek. Baina, gerora, segundo astronomikoaren balioa aldatu egin zen. Desfasea egunero handitzen da 1,5 milisegundo edo antzeko kopuru bat; bi urtean, gutxi gorabehera, segundo batera iristen da. Une horretan, denbora-eskala astronomikoa segundo batez gelditzen da, Lurraren errotazioari egokitzeko, baina erloju atomikoen sarea ez. Dagoeneko 33 aldiz gertatu da hori, eta, beraz, oraingo desfasea 33 segundokoa da, baina urteekin handitzen joango da.

Estatuetako denbora-eskala ofiziala zehazteko erabiltzen den denbora, World Time , segundo astronomikoaren araberakoa da. Baita Europako denbora ofiziala ere, Central European Time , baina ordubeteko desfasearekin.

Alemaniako PTB erakundea Europako denbora ofiziala kudeatzen duen sarearen nukleoa da. Handik dator definituta Central European Time izeneko eskala.

PTB

Azkenean, eskalak noizean behin zuzendu behar dira, eta segundoaren bi definizio izatea ez da kontu larria. Nolanahi ere, bi definizio horiek beharrezkoak dira. Bata, astronomikoa, praktikoa eta aldakorra da; bestea, atomikoa, ez da aldatzen, baina horrexegatik, hain zuzen, ez zaio egokitzen Lurraren mugimenduari.

Dena den, definizio atomikoaren abantaila bakarra ez da ez dela aldatzen. Gainera, erloju atomikoen bidez zehazten denez, denboraren neurketa zehatza da. Gaur egun ezagutzen dugun zehatzena.

Denbora egiten

Adituek esaten dute erloju batek bi zati dituela; bata maiztasun batez mugitzen edo aldatzen da, eta besteak maiztasun horren zikloak kontatzen ditu. Beharbada, ez dute erloju guzti-guztiek betetzen hori; harea-erloju batek, adibidez, lehen zatia besterik ez du. Baina erloju moderno guztiek dituzte bi zatiak. Esate baterako, penduluan oinarritutako erlojuetan, lehen zatia pendulua bera da, maiztasuna markatzen duen gailua baita, eta bigarrena, erlojuaren mekanismoa, penduluaren joan-etorriak kontatzen dituzten gurpiltxoak; joan-etorri horiek kontatzen dituzte, eta esfera batera transmititzen dute kontaketaren informazioa.

Arau orokorra hau da: zenbat eta maiztasun handiagoko teknika erabili, orduan eta erloju zehatzagoa da. Gizakiak egin dituen erloju zehatzenak zesio-atomoak erabiltzen ditu penduluaren lana egiteko. Ohiko penduluek segundo bateko zikloak egiten zituzten; zesio-atomoak, berriz, kondizio jakin batzuetan dagoenean, milioika ziklo egiten ditu segundo batean.

Izan ere, gaur egun, zesio-atomoa erabiltzen da segundoa definitzeko. Ematen zaion energiaren arabera, zesio-133 isotopoa bi egoeratan egon daiteke tenperatura jakin batean. Energia altueneko egoeran egoteko, jakina, atomoak energia-kantitate bat xurgatu behar du. Eta kantitate hori bera askatzen duenean, energia baxueneko egoerara pasatzen da. Hortik dator segundoaren definizioa: egoera-aldaketa hori 9.192.631.770 aldiz egiteko behar duen denbora zehatza segundo bat da. Eta, noski, atomoaren gorabeherak eragin eta kontatu ditzakeen gailuari erloju atomiko deritzo.

Robert Wynands, PTB erakundeko langilea. Erloju atomikoen garrantziari buruzko hitzaldi bat eman zuen EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultatean.

J.M. Gutierrez

Atomo baten oszilazioa erabiltzearen abantaila lortzen den zehaztasuna da. Munduko erlojurik zehatzena Parisen dago, eta 80 milioi urtean segundo bakar bateko errorea du. Kuartzozko erloju baten errorea urteko 10 segundo ingurukoa da. Eta erloju mekaniko onena, berriz, ez da kuartzozko erlojuaren zehaztasunera ere hurbiltzen.

"Ez du inporta zenbat ordaindu duzun zure Rolex erlojua. Eros ezazu kuartzozko erloju merke bat, eta askoz erloju hobea izango duzu, Rolex garestiena baino ehun aldiz zehatzagoa", dio Wynandsek.

Bai, baina erloju mekanikoak ere ematen du eguneroko bizimodurako behar adinako zehaztasuna. Zertarako behar dugu segundo baten bilioirena neurtzeko gai den erloju bat, fisikako esperimentu zehatzak egiteko ez bada? Bada, eguneroko bizimoduan nahitaezkoa zaigu zehaztasun hori, batez ere, seinaleak ondo sinkronizatzeko.

Hiru adibide

Seinaleak sinkronizatzeak esan nahi du uhinak sinkronizatu behar direla. Telefono mugikorren deiak, irrati-seinaleak, korronte alternoa eta beste seinale asko uhinak dira. Eta seinale horiek kudeatzen dituzten gailuek askotan jasotzen dituzte bi seinale edo gehiago aldi berean. Uhinak direnez, haien arteko interferentziak suntsitzaileak izateko arriskua dago, eta hauxe da sinkronizatzea: interferentzia suntsitzaileak saihestea.

Telefono mugikorren seinaleak kudeatzen dituzten baseak oso adibide onak dira. Aldi bereko seinaleak transmititzeko, ordenatu, lehentasuna eman eta haien arteko interferentziarik gabe igorri behar dituzte. Horretarako, oso denbora-eskala zehatza behar dute, erloju atomiko batek ematen duena bezain zehatza.

PTB erakundean dauden erloju atomiko zehatzenetako bat.

PTB

Gauza bera egiten dute elektrizitatea banatzen duten estazioek. Seinalea ekoizle batetik baino gehiagotatik jasotzen badute, korrontea alternoa da, uhin-mota bat, azken batean. Horiek jaso, eta interferentzia suntsitzailerik izan gabe igorri behar dute indar elektrikoa. Europan 50 Hz-eko maiztasuna erabiltzen dugu; Estatu Batuetan, adibidez, 60 Hz-ekoa. Maiztasun horiek zehatz-mehatz lortzeko, ezinbestekoa da erloju atomiko bat erabiltzea. Estazio bakoitzean izaten da bat (zorionez, gaur egun merkeak dira, ehunka euro batzuk baino ez dira behar erosteko; bestela, gaurko sare elektrikoa ekonomikoki jasangaitza izango litzateke).

Eta, beharbada, erloju atomikoen aplikaziorik ikusgarriena, gaurko ohiko teknologien artean, GPSa da. Triangelaketa-kontu bat da. Satelite batek baino gehiagok igortzen dute seinalea, eta bidean ematen duen denboraren arabera kalkulatzen dira latitudea eta longitudea. Beraz, seinaleen sinkronizazioak oso fina izan behar du; hor sartzen da erloju atomikoen lana.

Segundoa definitzeko balio dute erloju atomikoek, eta, horrekin, denbora-eskala ofizialak kudeatzen laguntzeko ere bai. Izan ere, hainbat erloju atomikoren seinalea igortzen dute irrati-uhinen bidez, norberaren etxeko erlojuak orduan egon ahal izateko (Europan, bi erloju erabiltzen dira horretarako, Alemaniakoa bata eta Ingalaterrakoa bestea: Frankfurtekoa eta Rugbykoa). Baina, horrez gain, asko erabiltzen ditugu eguneroko bizimodua sinkronizatzeko.

Denboraren definizioa

(Argazkia: Artxibokoa)

Zaila da denbora definitzea. Newtonek berak ez zuen egin. "Ez dut denbora definituko, edozeinek dakielako zer den". Einsteinek, bai, definitu zuen, baina gaiaren filosofiari ihes eginda. "Erlojuak neurtzen duen hori da denbora". Logikoa. Eta Einsteinen definizioari buelta emanda, erlojua defini daiteke. Denbora neurtzen duen makina da erlojua; are gehiago, denbora neurtzen duen edozein gailu da erloju bat, esfera eta orratzak izan ala ez.

Atomoari eragin

Erloju atomikoaren bihotza zesio-133 isotopo bat da. Pendulu-erloju batean penduluak egiten duen lan bera egiten du isotopo horrek, maiztasun jakin batekin oszilatzen baitu egoera atomiko batetik bestera aldatuz. Baina, penduluari bezala, oszilazio hori eragin behar zaio atomoari; ez du berez oszilatzen. Pendulua bultzatuta eta energia pixkanaka transmitituko dion mekanismo bat martxan jarrita lortzen da pendulu-erlojua lanean izatea. Zesio- atomoa ezin da eskuz bultzatu, mikrouhinekin irradiatu behar da. Eta hor dago gakoa; mikrouhinen pultsuak bidaltzen zaizkio zesio-atomoari, eta zesioa oszilatzen da. Erresonantzia-fenomeno bat da.

(Argazkia: G. Wheeler/NIST)

Hala ere, zailtasun handi bat dago. Pendulu-erlojuek pendulu bakarra erabiltzen dute. Erloju atomikoek, aldiz, milioika zesio-atomo dituzte 'mekanismoan'. Mikrouhinek ez diete atomo guzti-guztiei oszilarazten; horregatik, fisikariek probabilitateekin jokatu behar dute. Ahalik eta atomo gehienek oszilatzea lortu behar dute, oszilazioaren neurketa zehatzak egin ahal izateko. Gainera, beste arazo bat dago; mikrouhinak maserren bitartez igortzen dituzte (mikrouhinetako laserrak), baina ez dago maser perfekturik. Maser zehatzenak ere ez du igortzen maiztasun bakar bateko erradiazioa. Eta, azkenean, zenbat eta maiztasun-tarte txikiagoa erabili eta zenbat eta gertuago egon zesio-atomoen erresonantzia-maiztasunetik, orduan eta zehatzagoa izango da erloju atomikoa.