La mayoría de los relojes que la gente utiliza para saber la hora tienen una precisión de 10 o 15 segundos cada mes. Los relojes mecánicos de lujo (como un Rolex) se desvían más: uno o dos segundos cada día. Los científicos necesitan algo mucho más preciso y exacto, ya que los fenómenos que miden suelen durar sólo milmillonésimas de segundo.
Ahí es donde entra el reloj atómico. La primera versión precisa se construyó en 1955. Los relojes atómicos miden las oscilaciones de los átomos cuando cambian de estado energético. Cada elemento tiene una frecuencia o conjunto de frecuencias características, y como el átomo «late» miles de millones de veces por segundo, estos relojes son muy precisos. En el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el segundo «oficial» es de 9.192.631.770 ciclos de un átomo de cesio. (El cuarzo de un reloj oscila a unas 32.000 veces por segundo, unas 290.000 veces más lento que los átomos de cesio.)
Los científicos hablan de los relojes atómicos en términos de estabilidad y precisión. Para un reloj atómico, la precisión es lo bien que mide las vibraciones de los átomos. Comparando dos relojes, los científicos pueden medir la incertidumbre en la lectura de esa frecuencia, es decir, lo preciso que es un reloj. La estabilidad es el grado de variación de las pulsaciones de un reloj en un periodo de tiempo determinado. Si se hace la media de un gran número de tics, por ejemplo, 100.000, se obtendrá una cifra que puede medirse con el tiempo real que marca el reloj. Los científicos suelen referirse a la precisión cuando dicen que un reloj es tan exacto que ganará o perderá un segundo a lo largo de millones de años. Cuando hablan de precisión, los científicos suelen referirse a lo bien que un reloj coincide con una referencia estándar determinada, así que en ese sentido el reloj más preciso es siempre aquel con el que establecen el segundo estándar.
Tom O’Brian, jefe de la división de Frecuencia de Tiempo del NIST, señaló varios tipos de relojes atómicos: El que se utiliza para determinar el segundo estándar se basa en átomos de cesio, pero otros tipos utilizan estroncio, aluminio o mercurio. Algunos utilizan hidrógeno. Para obtener una precisión aún mayor, los relojes atómicos más recientes sobreenfrían los átomos que contienen para eliminar cualquier perturbación producida por el calor ambiental.
El mayor comprador de relojes atómicos, la industria de las telecomunicaciones, los utiliza para sincronizar los interruptores de fibra óptica y las torres de telefonía móvil, dijo O’Brian. Los relojes atómicos también se utilizan en el sistema GPS para medir con precisión la sincronización de las señales e informar de la posición de cada uno con respecto a los satélites.
Estos son algunos de los relojes más precisos jamás construidos, pero O’Brian señaló que la tecnología mejora constantemente y los científicos intentan elaborar mediciones del tiempo cada vez más precisas.
1. El NIST F2
Puesto en marcha por primera vez en 2014, este reloj, junto con su predecesor, el NIST F1, ayuda a determinar el segundo estándar utilizado por los científicos de todo el mundo. El NIST F2 también sincroniza las telecomunicaciones e incluso el comercio en los mercados financieros para la hora oficial del día. El reloj utiliza un conjunto de seis láseres para enfriar los átomos (unos 10 millones de ellos), mientras que otro par de láseres eleva suavemente los átomos dentro de una cámara llena de radiación de microondas. La frecuencia de la radiación que altera los estados de la mayoría de los átomos es lo que el NIST utiliza para definir los segundos. Su precisión se debe, en parte, a que funciona a una temperatura de menos 316 grados Fahrenheit (menos 193 grados Celsius); las condiciones de frío ayudan a proteger los átomos de cesio del calor parásito que podría alterar las mediciones de las oscilaciones de los átomos. Este reloj ganará o perderá un segundo aproximadamente cada 300 millones de años.
2. Universidad de Tokio/ RIKEN
Construido por un equipo dirigido por Hidetoshi Katori, se trata de un reloj atómico de red óptica. Utiliza átomos de estroncio atrapados entre rayos láser y enfriados a menos 292 F (menos 180 C). Los relojes de celosía óptica miden las oscilaciones de conjuntos de átomos atrapados, por lo que pueden promediar cualquier error. Su incertidumbre, publicada en la revista Nature Photonics el 9 de febrero, es de 7,2 x 10^-18, es decir, aproximadamente un segundo cada 4.400 millones de años.0 x 10^-18, es decir, aproximadamente un segundo cada 16.000 millones de años.
3. El reloj de estroncio del NIST / JILA
El NIST y el JILA, un instituto conjunto de la Universidad de Colorado, en Boulder, construyeron un reloj de celosía de estroncio que alcanzó una precisión de 1 segundo cada 5.000 millones de años. El equipo, dirigido por el físico Jun Ye, publicó su trabajo en 2014, y volvió a comprobar los resultados comparando su reloj con otro igual. O’Brian dijo que el NIST planea otro experimento con el reloj para llevarlo aún más lejos, para superar la estabilidad del reloj construido por el equipo de Katori en Japón. El reloj funciona atrapando átomos de estroncio con láseres en una especie de espacio con forma de panqueque. Una luz láser roja sintonizada a una determinada frecuencia hace que los átomos salten entre niveles de energía, y esos saltos son los «ticks», unos 430 billones cada segundo.
4. El reloj de lógica cuántica de aluminio
El NIST no sólo utiliza átomos de estroncio y cesio. En 2010, el NIST construyó un reloj atómico que utilizaba un átomo de aluminio, con una precisión de un segundo cada 3.700 millones de años. Este utiliza un solo átomo de aluminio atrapado en campos magnéticos con un solo átomo de berilio. Los láseres enfrían los dos átomos hasta casi el cero absoluto. Otro láser se sintoniza con la frecuencia que hace que el aluminio cambie de estado. Pero los estados del aluminio son difíciles de medir con precisión, así que el aluminio se acopla al átomo de berilio. Se trata de un proceso similar al utilizado en las instalaciones de computación cuántica.
5. El reloj mecánico Shortt-Synchronome
Los relojes atómicos se llevan toda la gloria, pero O’Brian dijo que antes de que aparecieran los científicos todavía tenían que usar relojes mecánicos, y algunos eran bastante precisos. El reloj Shortt, inventado en 1921, fue un instrumento científico estándar en los observatorios hasta que los relojes atómicos lo sustituyeron. El reloj era en realidad un sistema doble, que consistía en un péndulo en un tanque de vacío unido por cables eléctricos. El reloj secundario enviaba un pulso eléctrico cada 30 segundos al primario, para asegurar que ambos permanecieran sincronizados, y el péndulo en el vacío estaba hecho de una aleación de níquel y hierro para reducir cualquier expansión térmica, que alteraría la longitud del péndulo y, por tanto, su oscilación. El reloj es tan preciso que los péndulos pueden utilizarse para medir los efectos gravitatorios del sol y la luna, y fue este instrumento el que demostró que la rotación de la Tierra no era, de hecho, uniforme. Las pruebas realizadas en el Observatorio Naval de Estados Unidos en la década de 1980 demostraron que el reloj tenía una precisión de 1 segundo en unos 12 años.
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