Tics en un àtom
2008/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
L'oscil·lació dels àtoms de cesi marca el temps oficial de tots els Estats del món. A Europa, per exemple, aquesta labor la realitza una xarxa de rellotges atòmics. Són aproximadament 300 rellotges, dels quals els més importants són els del PTB alemany, el Centre Alemany de Metrologia.
La veritat és que hi ha un desfasament de 33 segons entre el temps oficial que triga aquesta xarxa i els temps que s'utilitzen en la pràctica, a causa de la introducció de rellotges atòmics.
La xarxa de rellotges atòmics dedica un temps anomenat International Atomic Time, el Temps Atòmic Internacional. "Aquesta és la millor escala de temps que ofereix l'home", afirma Robert Wynands, expert del PTB alemany. No obstant això, abans d'utilitzar aquests rellotges atòmics, la definició del segon es basava en observacions astronòmiques, calculades amb les dades mitjanes de les observacions de 200 anys.
La Terra no és un rellotge
El mesurament exacte del dia de la Terra permet definir l'hora, el minut i el segon. No obstant això, en 200 anys la rotació de la Terra ha canviat a causa de la seva constant evolució. La fricció de la força mareal de la Lluna s'està frenant, per la qual cosa el dia s'està allargant perquè la Terra triga més a fer una gira (en l'època dels dinosaures el dia tenia unes 23 hores i l'any era de 380 dies). Finalment, el segon i el segon astronòmic definits per l'oscil·lació de l'àtom de cesi no són iguals, la qual cosa provoca un desfasament de 33 segons.
Quan van definir el segon atòmic no hi havia diferència entre tots dos, sinó que li van donar el mateix valor que el segon astronòmic. "Qualsevol altra decisió seria un disbarat", diu Wynands. Però després el valor del segon astronòmic va canviar. El desfasament augmenta diàriament en 1,5 mil·lisegons o similar, arribant a un segon en aproximadament dos anys. En aquest moment, l'escala astronòmica del temps es deté durant un segon per a adaptar-se a la rotació de la Terra, però no la xarxa de rellotges atòmics. Això ha ocorregut ja 33 vegades, per la qual cosa el desfasament actual és de 33 segons, però amb els anys anirà creixent.
El temps emprat per a determinar l'escala de temps oficial dels Estats, World Time, depèn del segon astronòmic. I el temps oficial a Europa, Central European Time , però amb un desfasament d'una hora.
Al final, cal corregir les escales de tant en tant i no és greu tenir dues definicions de segon. En qualsevol cas, totes dues definicions són necessàries. Un és astronòmic, pràctic i canviant; l'altre, atòmic, no canvia, però per això no s'adapta al moviment de la Terra.
No obstant això, l'únic avantatge de la definició atòmica és que no varia. A més, com es determina mitjançant rellotges atòmics, el mesurament del temps és precisa. El més concret que coneixem actualment.
Fent temps
Els experts afirmen que un rellotge té dues parts, una es mou o canvia de manera regular i l'altre compte els cicles d'aquesta freqüència. Igual no tots els rellotges ho omplen, per exemple, un rellotge de sorra només té la primera part. Però tots els rellotges moderns tenen les seves dues parts. Per exemple, en els rellotges basats en el pèndol, la primera part és el propi pèndol, ja que és el dispositiu que marca la freqüència, i la segona, el mecanisme del rellotge, les rodes que compten els desplaçaments del pèndol, que comptabilitzen aquests desplaçaments i transmeten la informació del recompte a una esfera.
La regla general és que com més gran és la freqüència d'ús de la tècnica, més precís és el rellotge. El rellotge més precís realitzat per l'home utilitza àtoms de cesi per a treballar el pèndol. Els pèndols típics feien cicles d'un segon, mentre que l'àtom de cesi, quan es troba en determinades condicions, realitza milions de cicles en un segon.
De fet, en l'actualitat s'utilitza l'àtom de cesi per a definir el segon. Depenent de l'energia que se li aporti, l'isòtop de cesi-133 pot estar en dues situacions a una temperatura determinada. Per a estar en l'estat de major energia, per descomptat, l'àtom ha d'absorbir una quantitat d'energia. I quan allibera aquesta mateixa quantitat, l'energia passa a l'estat més baix. D'aquí la definició de segon: el temps exacte que triga a realitzar aquest canvi d'estat 9.192.631.770 vegades és d'un segon. I, per descomptat, al dispositiu que pot produir i comptar incidències de l'àtom se'n diu rellotge atòmic.
L'avantatge d'utilitzar l'oscil·lació d'un àtom és la precisió obtinguda. El rellotge més exacte del món es troba a París, amb un error de només un segon en 80 milions d'anys. L'error d'un rellotge de quars és d'uns 10 segons a l'any. I el millor rellotge mecànic tampoc s'acosta a la precisió del rellotge de quars.
"No importa el que has pagat el teu rellotge Rolex. Compra un rellotge de quars barat i tindràs un rellotge molt millor, cent vegades més precís que el Rolex més car", explica Wynands.
Sí, però el rellotge mecànic també proporciona la precisió necessària per a la vida quotidiana. Per a què necessitem un rellotge capaç de mesurar el bilió d'un segon si no és per a realitzar experiments concrets de física? Doncs bé, en el dia a dia és imprescindible aquesta precisió, sobretot per a una correcta sincronització dels senyals.
Tres exemples
Sincronitzar senyals significa sincronitzar ones. Les trucades dels telèfons mòbils, els senyals de ràdio, el corrent altern i moltes altres senyals són ones. I els dispositius que gestionen aquests senyals reben moltes vegades dues o més senyals al mateix temps. En tractar-se d'ones, existeix el risc que les interferències entre elles siguin destructives i sincronitzar és evitar interferències destructives.
Les bases que gestionen els senyals dels telèfons mòbils són un bon exemple. Han d'ordenar, donar prioritat i emetre senyals simultanis sense interferències entre elles. Per a això necessiten una escala de temps molt precisa, tan exacta com la que proporciona un rellotge atòmic.
El mateix fan les estacions de distribució elèctrica. Si el senyal és rebut de diversos productors, el corrent és altern, en definitiva, un tipus d'ona. Han de rebre-les i emetre la força elèctrica sense interferències destructives. A Europa utilitzem una freqüència de 50 Hz, per exemple als Estats Units de 60 Hz. Per a aconseguir aquestes freqüències exactament és necessari utilitzar un rellotge atòmic. Hi ha una en cada estació (afortunadament, avui dia són barats, només es necessiten uns centenars d'euros per a comprar; en cas contrari, la xarxa elèctrica actual seria econòmicament insostenible).
I potser l'aplicació més espectacular dels rellotges atòmics, entre les tecnologies més habituals d'avui, és el GPS. És un compte de triangulació. El senyal és emès per diversos satèl·lits i la seva latitud i longitud es calculen en funció del temps que romangui en el trajecte. Per tant, la sincronització dels senyals ha de ser molt fina, incloent el treball dels rellotges atòmics.
Els rellotges atòmics serveixen per a definir el segon i ajudar-los a gestionar escales de temps oficials. De fet, a través d'ones de ràdio emeten el senyal de diversos rellotges atòmics perquè els rellotges de la seva casa puguin estar llavors (a Europa s'utilitzen dos rellotges, un alemany i un altre anglès: Frankfurt i Rugbi). Però a més utilitzem molt per a sincronitzar la nostra vida diària.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
