Tics en un átomo
2008/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La oscilación de los átomos de cesio marca el tiempo oficial de todos los Estados del mundo. En Europa, por ejemplo, esta labor la realiza una red de relojes atómicos. Son aproximadamente 300 relojes, de los que los más importantes son los del PTB alemán, el Centro Alemán de Metrología.
La verdad es que hay un desfase de 33 segundos entre el tiempo oficial que tarda esta red y los tiempos que se utilizan en la práctica, debido a la introducción de relojes atómicos.
La red de relojes atómicos dedica un tiempo llamado International Atomic Time, el Tiempo Atómico Internacional. "Esa es la mejor escala de tiempo que ofrece el hombre", afirma Robert Wynands, experto del PTB alemán. Sin embargo, antes de utilizar estos relojes atómicos, la definición del segundo se basaba en observaciones astronómicas, calculadas con los datos medios de las observaciones de 200 años.
La Tierra no es un reloj
La medición exacta del día de la Tierra permite definir la hora, el minuto y el segundo. Sin embargo, en 200 años la rotación de la Tierra ha cambiado debido a su constante evolución. La fricción de la fuerza mareal de la Luna se está frenando, por lo que el día se está alargando porque la Tierra tarda más en hacer una gira (en la época de los dinosaurios el día tenía unas 23 horas y el año era de 380 días). Finalmente, el segundo y el segundo astronómico definidos por la oscilación del átomo de cesio no son iguales, lo que provoca un desfase de 33 segundos.
Cuando definieron el segundo atómico no había diferencia entre ambos, sino que le dieron el mismo valor que el segundo astronómico. "Cualquier otra decisión sería un disparate", dice Wynands. Pero luego el valor del segundo astronómico cambió. El desfase aumenta diariamente en 1,5 milisegundos o similar, llegando a un segundo en aproximadamente dos años. En ese momento, la escala astronómica del tiempo se detiene durante un segundo para adaptarse a la rotación de la Tierra, pero no la red de relojes atómicos. Esto ha ocurrido ya 33 veces, por lo que el desfase actual es de 33 segundos, pero con los años irá creciendo.
El tiempo empleado para determinar la escala de tiempo oficial de los Estados, World Time, depende del segundo astronómico. Y el tiempo oficial en Europa, Central European Time , pero con un desfase de una hora.
Al final, hay que corregir las escalas de vez en cuando y no es grave tener dos definiciones de segundo. En cualquier caso, ambas definiciones son necesarias. Uno es astronómico, práctico y cambiante; el otro, atómico, no cambia, pero por eso no se adapta al movimiento de la Tierra.
Sin embargo, la única ventaja de la definición atómica es que no varía. Además, como se determina mediante relojes atómicos, la medición del tiempo es precisa. El más concreto que conocemos actualmente.
Haciendo tiempo
Los expertos afirman que un reloj tiene dos partes, una se mueve o cambia de forma regular y la otra cuenta los ciclos de esa frecuencia. Igual no todos los relojes lo llenan, por ejemplo, un reloj de arena sólo tiene la primera parte. Pero todos los relojes modernos tienen sus dos partes. Por ejemplo, en los relojes basados en el péndulo, la primera parte es el propio péndulo, ya que es el dispositivo que marca la frecuencia, y la segunda, el mecanismo del reloj, las ruedas que cuentan los desplazamientos del péndulo, que contabilizan estos desplazamientos y transmiten la información del recuento a una esfera.
La regla general es que cuanto mayor es la frecuencia de uso de la técnica, más preciso es el reloj. El reloj más preciso realizado por el hombre utiliza átomos de cesio para trabajar el péndulo. Los péndulos típicos hacían ciclos de un segundo, mientras que el átomo de cesio, cuando se encuentra en determinadas condiciones, realiza millones de ciclos en un segundo.
De hecho, en la actualidad se utiliza el átomo de cesio para definir el segundo. Dependiendo de la energía que se le aporte, el isótopo de cesio-133 puede estar en dos situaciones a una temperatura determinada. Para estar en el estado de mayor energía, por supuesto, el átomo debe absorber una cantidad de energía. Y cuando libera esa misma cantidad, la energía pasa al estado más bajo. De ahí la definición de segundo: el tiempo exacto que tarda en realizar este cambio de estado 9.192.631.770 veces es de un segundo. Y, por supuesto, al dispositivo que puede producir y contar incidencias del átomo se le llama reloj atómico.
La ventaja de utilizar la oscilación de un átomo es la precisión obtenida. El reloj más exacto del mundo se encuentra en París, con un error de sólo un segundo en 80 millones de años. El error de un reloj de cuarzo es de unos 10 segundos al año. Y el mejor reloj mecánico tampoco se acerca a la precisión del reloj de cuarzo.
"No importa lo que has pagado tu reloj Rolex. Compra un reloj de cuarzo barato y tendrás un reloj mucho mejor, cien veces más preciso que el Rolex más caro", explica Wynands.
Sí, pero el reloj mecánico también proporciona la precisión necesaria para la vida cotidiana. ¿Para qué necesitamos un reloj capaz de medir el billón de un segundo si no es para realizar experimentos concretos de física? Pues bien, en el día a día es imprescindible esa precisión, sobre todo para una correcta sincronización de las señales.
Tres ejemplos
Sincronizar señales significa sincronizar ondas. Las llamadas de los teléfonos móviles, las señales de radio, la corriente alterna y muchas otras señales son ondas. Y los dispositivos que gestionan estas señales reciben muchas veces dos o más señales al mismo tiempo. Al tratarse de ondas, existe el riesgo de que las interferencias entre ellas sean destructivas y sincronizar es evitar interferencias destructivas.
Las bases que gestionan las señales de los teléfonos móviles son un buen ejemplo. Deben ordenar, dar prioridad y emitir señales simultáneas sin interferencias entre ellas. Para ello necesitan una escala de tiempo muy precisa, tan exacta como la que proporciona un reloj atómico.
Lo mismo hacen las estaciones de distribución eléctrica. Si la señal es recibida de varios productores, la corriente es alterna, en definitiva, un tipo de onda. Deben recibirlas y emitir la fuerza eléctrica sin interferencias destructivas. En Europa utilizamos una frecuencia de 50 Hz, por ejemplo en Estados Unidos de 60 Hz. Para conseguir estas frecuencias exactamente es necesario utilizar un reloj atómico. Hay una en cada estación (afortunadamente, hoy en día son baratos, sólo se necesitan unos cientos de euros para comprar; de lo contrario, la red eléctrica actual sería económicamente insostenible).
Y quizá la aplicación más espectacular de los relojes atómicos, entre las tecnologías más habituales de hoy, es el GPS. Es una cuenta de triangulación. La señal es emitida por varios satélites y su latitud y longitud se calculan en función del tiempo que permanezca en el trayecto. Por lo tanto, la sincronización de las señales debe ser muy fina, incluyendo el trabajo de los relojes atómicos.
Los relojes atómicos sirven para definir el segundo y ayudarles a gestionar escalas de tiempo oficiales. De hecho, a través de ondas de radio emiten la señal de varios relojes atómicos para que los relojes de su casa puedan estar entonces (en Europa se utilizan dos relojes, uno alemán y otro inglés: Fráncfort y Rugby). Pero además utilizamos mucho para sincronizar nuestra vida diaria.
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