Tiempo atómico y relojes atómicos

Durante muchos siglos la rotación y la traslación de la Tierra han proporcionado una buena manera para medir el tiempo que regía las actividades humanas. Pero en el s. XX los científicos tenían la necesidad de comprobar las teorías de Einstein sobre la relatividad, y de desarrollar tecnologías sofisticadas para la navegación espacial y el control de satélites artificiales, y se pusieron manos a la obra para inventar nuevos relojes que se basaran en fenómenos menos irregulares que los astronómicos: la frecuencia vibratoria del átomo bajo ciertas condiciones especiales. La visión romántica del marino guiándose por las estrellas dejará paso a los satélites artificiales y al Gps, Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System), que funciona gracias a un grupo de 24 satélites dotados cada uno de 4 relojes atómicos de cesio.

En 1949 se puso en funcionamiento el primer reloj atómico basado en la frecuencia de resonancia de la molécula de amoniaco, pero no era más preciso que un reloj con oscilador de cuarzo; en los años 50 apareció el primer reloj de haz de cesio; en 1958 se empezó a usar para medir el tiempo de forma experimental, y en 1960 se instala el primer máser de hidrógeno. La exactitud de los nuevos relojes fue tan espectacular que entre 1960 y 1965 se comienzan a instalar patrones y estándares del tiempo -aparece también el reloj de rubidio- y el SI -Sistema Internacional de Unidades- define en 1967 el segundo como "la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133, a nivel del mar (con campo magnético cero)". El número de oscilaciones fue escogido para que su duración fuera lo más similar posible al segundo de efemérides establecido en 1900. En los siguientes gráficos vemos las estructuras electrónicas de los átomos de hidrógeno, rubidio y cesio. Pulse las imágenes para obtener más información sobre ellos.

Así nacía la escala de tiempo más precisa jamás conocida, el tiempo atómico internacional, TAI, cuya obtención desde 1985 procede del promedio del tiempo suministrado por unos 180 relojes atómicos, repartidos por unos 50 laboratorios y departamentos del tiempo, situados en distintos países del mundo. En España es el ROA el que participa con sus siete patrones de haz de cesio, remitiendo los datos a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), Bureau International des Poids et Mesures, que lo gestiona. El TAI nunca se retoca, y actualmente lleva un adelanto sobre el UTC de 32s. El reloj de cesio permitía detectar atrasos en la rotación terrestre de un milisegundo diario, y los mejores relojes atómicos actuales no se atrasan más de 1s en varios millones de años. Son tan estables porque las frecuencias empleadas son casi inmutables a factores externos tales como presión y temperatura. Permitirán estudiar la naturaleza del tiempo y cómo éste se vé afectado por la gravedad, y comprobar muchas de las teorías de la física moderna relativista.

QUÉ ES UN RELOJ ATÓMICO Y CÓMO FUNCIONA

Los electrones de un átomo no se desplazan libremente, se mueven en distintas órbitas, cada una de las cuales tiene asociada una cantidad de energía específica. Cuando los electrones ocupan los lugares correspondientes a los niveles menos energéticos el átomo está en su estado fundamental. La radiación electromagnética no sólo se propaga mediante ondas, también lo hace en forma de corpúsculos llamados fotones, que vienen a ser como "gotas de energía" pura sin masa. La radiación se define por su longitud (distancia que ocupa una onda completa) y por su amplitud (altura de la cresta); también por la frecuencia -número de ondas completas producidas por segundo-, que se mide en hertzios (y coincide con el número de oscilaciones). Y asimismo por la energía de cada uno de sus fotones.

Para que un electrón salte a una órbita superior -realice una transición- precisa una cantidad exacta de energía, ni más ni menos. Si aparece un fotón que contiene exactamente esa energía, lo absorberá y ascenderá a un nivel superior. Entonces se dice que tanto el átomo como el electrón están en un estado excitado, situación que de forma natural sólo dura una fracción de segundo, y el electrón vuelve a emitir el fotón que antes había capturado, que será exactamente de la misma longitud y frecuencia que el fotón original, y vuelve a descender hasta su estado fundamental y estable. Esto se llama emisión espontánea y se produce de forma natural.

¿Pero qué pasa si un electrón que ya está excitado se encuentra con un fotón de energía adecuada? Sería lógico pensar que lo absorbería y subiría otro peldaño orbital, pero ocurre lo contrario: emite un fotón y desciende un nivel orbital, y además el fotón que estimuló el cambio no es absorbido, sino que continua su recorrido, de modo que coexisten dos fotones de igual longitud y frecuencia. Esto se llama emisión estimulada, y es el principio de la idea que condujo no sólo al reloj atómico, sino también al Máser, Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación) y al Láser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación).

La única forma de producir una emisión estimulada útil consiste en lograr una "inversión de la población", es decir, lograr que se invierta el orden natural y que el número de electrones que se hallan excitados sea muy superior al de electrones en estado básico. El primero que lo consiguió fue Charles H. Townes, utilizando moléculas de amoniaco gaseoso. Mediante un campo eléctrico excitó las moléculas y separó las del estado básico, para luego someter las excitadas a la acción de microondas de 1.25 cm (aprox.) de longitud, que era la energía precisa, y el éxito fue absoluto. Fue el nacimiento del Máser. En la imagen vemos un esquema del espectro electromagnético, destacando en especial las microondas, los máseres y los láseres.

El funcionamiento de los relojes atómicos, cuyo ejemplo más extendido es el de cesio-133, se basa en este fenómeno. Con un horno se genera un haz de vapor de cesio en el vacío, y tras excitar los átomos producen una emisión estimulada -si se excita con microondas sería un máser- de una frecuencia de 9.192.631.770 hertzios (vibraciones por segundo), y la acumulación de esos ciclos son detectados por un contador electrónico, que es el verdadero reloj, y de esa forma se puede medir el tiempo (esto es una explicación simplificada). Los de rubidio son más simples y baratos y menos precisos: una ampolleta llena de metal vaporizado sometida a la acción de las microondas (sintonizada a la frecuencia de resonancia) o del bombeo óptico (luz). Los máseres de hidrógeno son más exactos -pueden dividir un segundo en 1420.000.000.000 partes- que los de cesio pero sólo en periodos cortos, y por eso los de cesio se usan como patrones. Si los átomos se enfrían con láseres hasta cerca del cero absoluto, se consiguen exactitudes del orden de 10^-14, y en microgravedad en la ISS -Estación Espacial Internacional- se instalarán nuevas generaciones de relojes -PARCS, RACE- con las que se espera lograr 10^-17 en el 2006 (1s de incertidumbre en tres mil millones de años).

La evolución de estos relojes sólo ha comenzado, y los próximos avances vendrán por el camino de la miniaturización. El ONR -Office of Naval Research- ya está probando un reloj atómico del tamaño de una caja de cerillas, basado en nuevas tecnologías del láser. El NIST estadounidense -National Institute of Standard and Technology-, Instituto nacional de normalización y tecnología, ha dado a conocer este año un reloj atómico del tamaño de un circuito integrado. En el futuro nuestros relojes se actualizarán automáticamente y se mantendrán exactos conectándose directamente a las emisoras de radio enlazadas a relojes atómicos (esto ya existe). Desgraciadamente no todo son ventajas con los relojes atómicos y el Gps, ni hay que olvidar que este último fue desarrollado para usos militares y es gestionado por militares. Es posible que en el futuro nuestras direcciones ya no se refieran a una casa que esta en una determinada calle de cierta ciudad, sino a las coordenadas exactas del espacio físico que ocupamos sobre el planeta... introducidas en un ordenador...; no es difícil imaginar lo que esto puede suponer.

En la próxima página veremos lo que es el día juliano, un tipo de tiempo que suele usarse en astronomía. Y veremos cómo usarlo con el Google.

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