El futuro de la medición del tiempo - La tecnología de vacío es imprescindible para los relojes atómicos ópticos

El futuro de la medición del tiempo - La tecnología de vacío es imprescindible para los relojes atómicos ópticos

Las cámaras de vacío que contienen átomos flotando libremente se utilizan en los instrumentos de medición del tiempo más precisos de hoy en día. Los pulsos de láser funcionan como temporizadores para la última generación de relojes atómicos. Son increíblemente precisos.

¿Qué es el tiempo? Ni los físicos ni los filósofos pueden responder a esta pregunta. Pero esto no nos impide dividirlo en intervalos y medirlo de la forma más precisa posible. Los medidores de tiempo como los relojes de sol de la antigüedad o los relojes de torre mecánicos de la Edad Media fueron fases importantes en el desarrollo del modo en que medimos el tiempo. El matemático y físico Christian Huygens logró un avance técnico clave en el siglo XVII. Su reloj de péndulo fue el primero en dividir con precisión el tiempo en horas, minutos y segundos. A partir de entonces se han desarrollado herramientas de medición cada vez más precisas. Actualmente, los relojes atómicos de cesio conforman la base del tiempo universal estándar oficial y solo admiten un error de un segundo cada 30 millones de años.

Los relojes atómicos de cesio cuentan el tiempo del mundo

Estos modernos medidores de tiempo no tienen péndulos ni manecillas. En su lugar, los átomos de cesio son los encargados de marcar el tic-tac del tiempo. Estos se calientan hasta el punto de ebullición y entonces pasan a un tubo en alto vacío. La baja presión garantiza que los átomos no colisionen entre ellos y pasen a través de la cámara con una mayor energía. En ese momento, los átomos se exponen a la radiación de microondas. La frecuencia adecuada, a la que los físicos se refieren como frecuencia de resonancia, cambia el nivel energético de algunos de los átomos. Estos pasan a un estado «excitado» y un detector los cuenta.

En este momento, las frecuencias de microondas se ajustan hasta que cambie el nivel energético del mayor número posible de átomos de cesio. Esto sucede de forma fiable a 9 192 631 770 hercios, es decir, a más de nueve mil millones de oscilaciones por segundo. De forma inversa, un segundo pasa cuando se alcanza este número. Esta es la base de la definición de la duración de un segundo según el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Una precisión aún mayor con láseres

Además de los relojes de radiación de cesio, actualmente también se utilizan relojes de fuente de cesio como relojes de referencia para contabilizar el tiempo universal. En estos relojes, los átomos de cesio se introducen en la cámara de vacío —de un modo que recuerda a una fuente— antes de ser radiados con microondas. De este modo, la frecuencia de resonancia de los átomos se puede determinar con una precisión aún mayor, por lo que los relojes de fuente solo admiten un error de, como máximo, un segundo cada 40 millones de años. 

Los relojes atómicos ópticos que utilizan átomos de estroncio o iterbio, por ejemplo, son más precisos todavía. En lugar de utilizar microondas, los átomos se excitan con láseres, también en una cámara de ultravacío. La frecuencia luminosa que se origina cuando un átomo cambia su nivel energético sirve como referencia para determinar la duración de un segundo. La frecuencia es más alta y la frecuencia de transición del electrón es más rápida, de modo que el tiempo puede dividirse en intervalos todavía más pequeños. El «tic-tac» de los relojes ópticos es mucho mayor y se produce a intervalos mucho más exactos que el de los relojes de cesio. Estos podrían convertirse en los nuevos medidores del tiempo universal, en cuyo caso habría que replantear la unidad de tiempo que conocemos como segundo. Independientemente del proceso, todos los tipos de relojes atómicos requieren una cámara de vacío para sus átomos de referencia.


Casi nadie sabe que los relojes atómicos llevan tiempo marcando el ritmo de nuestras vidas diarias llevando la cuenta, por ejemplo, del tiempo de los relojes controlados por radio o del de los relojes de las estaciones de tren. Los sistemas GPS no serían capaces de garantizar una navegación fiable sin medidores de tiempo atómicos: los receptores de GPS, como los sistemas de navegación de nuestros coches, registran constantemente información procedente de los satélites de GPS que transmiten sus posiciones y su hora respectivas. El receptor utiliza datos de tres satélites para encontrar la posición exacta calculando la diferencia entre la transmisión y la recepción de las señales. Una desviación de apenas una millonésima parte de segundo conllevaría un margen de error de unos 300 metros.

Los relojes atómicos son también necesarios para sincronizar las redes de datos de alta velocidad. Los largos cables de transmisión de fibra óptica tienen que coordinar con mucha precisión el envío y la recepción para evitar un caos de datos.

También se necesita una medición del tiempo hiperexacta para las aplicaciones geodésicas y la investigación básica. La generación más reciente de relojes atómicos ayuda a confirmar la afirmación de Einstein acerca del modo en que la gravedad de la Tierra afecta al tiempo, y podría ayudarnos a localizar materia oscura.


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