Tics nun átomo

2008/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Fisika

(Foto: G. Roia)

A oscilación dos átomos de cesio marca o tempo oficial de todos os Estados do mundo. En Europa, por exemplo, este labor realízaa una rede de reloxos atómicos. Son aproximadamente 300 reloxos, dos que os máis importantes son os do PTB alemán, o Centro Alemán de Metrología.

A verdade é que hai un desfasamento de 33 segundos entre o tempo oficial que tarda esta rede e os tempos que se utilizan na práctica, debido á introdución de reloxos atómicos.

A rede de reloxos atómicos dedica un tempo chamado International Atomic Time, o Tempo Atómico Internacional. "Esa é a mellor escala de tempo que ofrece o home", afirma Robert Wynands, experto do PTB alemán. Con todo, antes de utilizar estes reloxos atómicos, a definición do segundo baseábase en observacións astronómicas, calculadas cos datos medios das observacións de 200 anos.

A Terra non é un reloxo

A medición exacta do día da Terra permite definir a hora, o minuto e o segundo. Con todo, en 200 anos a rotación da Terra cambiou debido á súa constante evolución. A fricción da forza mareal da Lúa está a frearse, polo que o día está a alargarse porque a Terra tarda máis en facer una xira (na época dos dinosauros o día tiña unhas 23 horas e o ano era de 380 días). Finalmente, o segundo e o segundo astronómico definidos pola oscilación do átomo de cesio non son iguais, o que provoca un desfasamento de 33 segundos.

Cando definiron o segundo atómico non había diferenza entre ambos, senón que lle deron o mesmo valor que o segundo astronómico. "Calquera outra decisión sería un disparate", di Wynands. Pero logo o valor do segundo astronómico cambiou. O desfasamento aumenta diariamente en 1,5 milisegundos ou similar, chegando a un segundo en aproximadamente dous anos. Nese momento, a escala astronómica do tempo detense durante un segundo paira adaptarse á rotación da Terra, pero non a rede de reloxos atómicos. Isto ocorreu xa 33 veces, polo que o desfasamento actual é de 33 segundos, pero cos anos irá crecendo.

O tempo empregado paira determinar a escala de tempo oficial dos Estados, World Time, depende do segundo astronómico. E o tempo oficial en Europa, Central European Time , pero cun desfasamento dunha hora.

A organización alemá PTB é o núcleo da rede que xestiona o tempo oficial europeo. De aí vén definida a escala denominada Central European Time.

PPH

Ao final, hai que corrixir as escalas de cando en vez e non é grave ter dúas definicións de segundo. En calquera caso, ambas as definicións son necesarias. Un é astronómico, práctico e cambiante; o outro, atómico, non cambia, pero por iso non se adapta ao movemento da Terra.

Con todo, a única vantaxe da definición atómica é que non varía. Ademais, como se determina mediante reloxos atómicos, a medición do tempo é precisa. O máis concreto que coñecemos actualmente.

Facendo tempo

Os expertos afirman que un reloxo ten dous partes, una móvese ou cambia de forma regular e a outra conta os ciclos desa frecuencia. Igual non todos os reloxos éncheno, por exemplo, un reloxo de area só ten a primeira parte. Pero todos os reloxos modernos teñen os seus dous partes. Por exemplo, nos reloxos baseados no péndulo, a primeira parte é o propio péndulo, xa que é o dispositivo que marca a frecuencia, e a segunda, o mecanismo do reloxo, as rodas que contan os desprazamentos do péndulo, que contabilizan estes desprazamentos e transmiten a información do reconto a unha esfera.

A regra xeral é que canto maior é a frecuencia de uso da técnica, máis preciso é o reloxo. O reloxo máis preciso realizado polo home utiliza átomos de cesio paira traballar o péndulo. Os péndulos típicos facían ciclos dun segundo, mentres que o átomo de cesio, cando se atopa en determinadas condicións, realiza millóns de ciclos nun segundo.

De feito, na actualidade utilízase o átomo de cesio paira definir o segundo. Dependendo da enerxía que se lle achegue, o isótopo de cesio-133 pode estar en dúas situacións a unha temperatura determinada. Paira estar no estado de maior enerxía, por suposto, o átomo debe absorber una cantidade de enerxía. E cando libera esa mesma cantidade, a enerxía pasa ao estado máis baixo. De aí a definición de segundo: o tempo exacto que tarda en realizar este cambio de estado 9.192.631.770 veces é dun segundo. E, por suposto, ao dispositivo que pode producir e contar incidencias do átomo chámaselle reloxo atómico.

Robert Wynands, empregado da organización PTB. Impartiu una conferencia sobre a importancia dos reloxos atómicos na Facultade de Ciencia e Tecnoloxía da UPV.

J.M. Gutiérrez

A vantaxe de utilizar a oscilación dun átomo é a precisión obtida. O reloxo máis exacto do mundo atópase en París, cun erro de só un segundo en 80 millóns de anos. O erro dun reloxo de cuarzo é duns 10 segundos ao ano. E o mellor reloxo mecánico tampouco se achega á precisión do reloxo de cuarzo.

"Non importa o que pagaches o teu reloxo Rolex. Compra un reloxo de cuarzo barato e terás un reloxo moito mellor, cen veces máis preciso que o Rolex máis caro", explica Wynands.

Si, pero o reloxo mecánico tamén proporciona a precisión necesaria paira a vida cotiá. Paira que necesitamos un reloxo capaz de medir o billón dun segundo si non é paira realizar experimentos concretos de física? Pois ben, no día a día é imprescindible esa precisión, sobre todo paira una correcta sincronización dos sinais.

Tres exemplos

Sincronizar sinais significa sincronizar ondas. As chamadas dos teléfonos móbiles, os sinais de radio, a corrente alterna e moitas outros sinais son ondas. E os dispositivos que xestionan estes sinais reciben moitas veces dúas ou máis sinais ao mesmo tempo. Ao tratarse de ondas, existe o risco de que as interferencias entre elas sexan destrutivas e sincronizar é evitar interferencias destrutivas.

As bases que xestionan os sinais dos teléfonos móbiles son un bo exemplo. Deben ordenar, dar prioridade e emitir sinais simultáneos sen interferencias entre elas. Paira iso necesitan una escala de tempo moi precisa, tan exacta como a que proporciona un reloxo atómico.

Uno dos reloxos atómicos máis precisos da PTB.

PPH

O mesmo fan as estacións de distribución eléctrica. Se o sinal é recibida de varios produtores, a corrente é alterna, en definitiva, un tipo de onda. Deben recibilas e emitir a forza eléctrica sen interferencias destrutivas. En Europa utilizamos una frecuencia de 50 Hz, por exemplo en Estados Unidos de 60 Hz. Paira conseguir estas frecuencias exactamente é necesario utilizar un reloxo atómico. Hai una en cada estación (afortunadamente, hoxe en día son baratos, só se necesitan uns centos de euros paira comprar; pola contra, a rede eléctrica actual sería economicamente insustentable).

E quizá a aplicación máis espectacular dos reloxos atómicos, entre as tecnoloxías máis habituais de hoxe, é o GPS. É una conta de triangulación. O sinal é emitida por varios satélites e a súa latitude e lonxitude calcúlanse en función do tempo que permaneza no traxecto. Por tanto, a sincronización dos sinais debe ser moi fina, incluíndo o traballo dos reloxos atómicos.

Os reloxos atómicos serven paira definir o segundo e axudarlles a xestionar escalas de tempo oficiais. De feito, a través de ondas de radio emiten o sinal de varios reloxos atómicos para que os reloxos da súa casa poidan estar entón (en Europa utilízanse dous reloxos, un alemán e outro inglés: Frankfurt e Rugby). Pero ademais utilizamos moito paira sincronizar a nosa vida diaria.

Definición do tempo

(Foto: De arquivo)

É difícil definir o tempo. O propio Newton non o fixo. "Non definirei o tempo porque calquera sabe o que é". Einstein si o definiu, pero fuxindo da filosofía do tema. "O tempo é o que mide o reloxo". Lóxico. E dando a volta á definición de Einstein, pódese definir o reloxo. O reloxo é una máquina que mide o tempo, é máis, calquera dispositivo que mide o tempo é un reloxo, sexa una esfera e una agulla ou non.

Accionar o átomo

O corazón do reloxo atómico é un isótopo cesio-133. Este isótopo realiza o mesmo traballo que o péndulo nun reloxo de péndulo, que oscila con certa frecuencia cambiando de estado atómico. Pero, do mesmo xeito que o péndulo, hai que darlle esa oscilación ao átomo, que non oscila en por si. O reloxo de péndulo conséguese traballando empuxando o péndulo e pondo en marcha un mecanismo que transmita progresivamente a enerxía. O átomo de cesio non se pode empuxar manualmente, débese irradiar con microondas. E aí está a clave, envíanse pulsos de microondas ao átomo de cesio e oscílase a a cesión. É un fenómeno de resonancia.

(Foto: G. Wheeler/NIST)

Con todo, hai una gran dificultade. Os péndulos reloxos utilizan un único péndulo. Os reloxos atómicos, con todo, teñen millóns de átomos de cesio no 'mecanismo'. Os microondas non permiten oscilar a todos os átomos, polo que os físicos deben actuar con probabilidades. Deben conseguir a oscilación do maior número posible de átomos paira poder realizar medicións precisas da oscilación. Ademais, hai outro problema: emiten microondas a través de masers (láseres de microondas), pero non hai maser perfecto. O maser máis preciso tampouco emite radiación dunha soa frecuencia. E ao final, canto menor sexa o rango de frecuencias utilizado e máis preto estea da frecuencia de resonancia dos átomos de cesio, máis preciso será o reloxo atómico.