El reloj más exacto del mundo
El año pasado el observatorio de París ha batido todos los récords de precisión de los relojes en el Laboratorio Básico de Tiempo y Frecuencia (LPTF). Mediante el reloj atómico que han preparado han alcanzado una precisión de 10-15 segundos, el femtosegundo. Este intervalo de tiempo muy reducido se puede expresar de otra manera: 0,000 000 000 000 001 segundos. Tomar conciencia de un tiempo tan corto no es fácil, claro, ya que la quinada nerviosa que se expande a la velocidad de la luz necesita tanto para desplazarse dentro de la neurona.
En el laboratorio LPTF de París, Michel Granveaud y su equipo se dedican principalmente a la preparación de relojes atómicos de cesio, y el resultado de su trabajo ha sido conseguir el reloj más preciso del mundo, a pesar de que otros también lo están haciendo en el mundo. En Estados Unidos, personas que trabajan en el NIST (National Institute of Standards and Technology), japoneses, alemanes, etc. han conseguido acercarse hasta los 10-14 s. También es otro laboratorio en Francia dedicado al reloj atómico, el de Orsay. Este reloj es básicamente igual que el resto, pero sustituye los átomos de cesio por iones de calcio. De hecho, las partículas cargadas pueden ser más fáciles de manejar mediante campos electromagnéticos. Además, la frecuencia de transición elegida en el ion de calcio se encuentra en el campo visible en rojo.
Qué es el segundo y para qué
Cuando se preguntaba qué era el segundo hasta hace unos años, la respuesta era la de la sesenta del minuto o la de 3.600 de la hora. Sin embargo, en 1967 la definición del segundo cambió. De acuerdo con lo aprobado por la Asamblea General de Medidas y Pesos, la definición del segundo es el intervalo de tiempo de 9 192 631 770 periodos de radiación de transición entre los dos niveles hiperfinos del estado energético básico del átomo de cesio 133. Dicho de otro modo, el nuevo patrón de medida del tiempo es el período de la onda emitida al pasar un electrón dentro del átomo de cesio de una capa de energía a otra más interna.
El tiempo atómico internacional se calcula en la Oficina de Medidas y Pesos de Sèves de París a partir de la media de 250 relojes atómicos repartidos por el mundo. Hay que recordar que el reloj atómico puede tener un retardo o avance máximo de 0.0001 segundos después de mil años.
Más de uno preguntará para qué sirve una definición y un reloj tan preciso del segundo, y la respuesta está en las necesidades de las nuevas tecnologías y la investigación básica. El tiempo y el espacio son conceptos relacionados entre sí. Por ejemplo, mediante el satélite y el reloj atómico, se puede localizar un punto de la tierra de forma muy precisa.
Se calcula en función del tiempo que tarda la luz en correr. Por lo tanto, cuanto mayor sea la precisión del reloj, más exacto será el punto del suelo. Los 24 satélites a 20.000 kilómetros de altitud tienen una precisión de un metro para ubicar puntos terrestres mediante el sistema GPS (Global Posityonning System) y relojes atómicos en aplicaciones militares y de 10 metros en aplicaciones civiles. Si los relojes atómicos fueran como los del observatorio de París, la precisión sería la décima parte del milímetro. Este sistema GPS se utiliza para medir terremotos, detectar coches del rally Paris-Dakar o medir la deriva continental.
Buscando ondas gravitatorias
Muchos de los grandes descubrimientos científicos se han producido gracias al avance en la medición del tiempo: En 1676, por ejemplo, se descubrió que la velocidad de la luz tenía un valor finito y que en 1937 la rotación de la Tierra era irregular. En 1983 el metro se definió de otra manera como la distancia que la luz recorría en el vacío 1/299 792 458 segundos.
Hoy en día, sin embargo, los investigadores buscan relojes más precisos para detectar las famosas “ondas gravitatorias” anunciadas por Einstein en 1916. Estas ondas emitirían masas aceleradas, al igual que la partícula cargada en movimiento emite ondas electromagnéticas. Si se encontraran ondas gravitatorias, además de confirmar la Teoría de la Relatividad, se unirían las leyes de gravitación y electromagnetismo.
Los pulsos o pulsaciones de los pulsares parecen confirmar la existencia de ondas gravitatorias. Los pulsares son estrellas de neutrones que giran más de cien revoluciones por segundo alrededor de su eje. Las ondas gravitatorias provocan altibajos en las señales emitidas por los pulsares, pero estos infinitesimales no se pueden detectar si no se trata de relojes de precisión extrema.
¿Cómo funciona el reloj atómico?En los relojes atómicos se puede decir que el péndulo se sustituye por un generador de ondas. La onda tiene picos y depresiones y el período es el tiempo que transcurre desde un punto hasta que llega el siguiente. El período puede, por tanto, representar la unidad de tiempo, pero se necesita una onda con un período regular y estable. Para ello normalmente se toma el átomo de cesio. Cuando se excita una determinada longitud de onda (la correspondiente a una frecuencia de 9,192 631 770 GHz), el nivel energético cambia. Cuanto mayor sea la proporción de átomos excitados, más nos aproximaremos a esa longitud de onda (y por tanto al período ideal o a la miniunidad del tiempo). Por ello, el generador de ondas se regula de forma que se obtenga la mayor cantidad posible de átomos de cesio excitados. De esta forma el reloj tiene una precisión de entre 10 y 15”. En la zona 1 del reloj hay cesio, generalmente un metal sólido. Primero se convierte en gas. En un principio los átomos se colocan al mismo nivel energético básico y luego se enfrían con rayos láser hasta unos microcelvin (muy cerca del cero absoluto). El enfriamiento de los átomos reduce su velocidad y baja de los 100 m/s anteriores a unos cm/s. Posteriormente, en la Zona 2, los átomos de cesio se envían a las microondas emitidas por un generador de cuarzo y algunos se excitan. Los átomos caen y pasan por un detector en la Zona 3. Dado el número de átomos excitados, el período del generador se regula para que las ondas emitidas exciten el mayor número posible de átomos. Se mide entonces el periodo de la onda y se multiplica por 9 192 631 770 dando el segundo del reloj. |
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