Reloj Atómico: ¿Qué es y cómo funciona?

reloj atómico

Desde el comienzo de la civilización humana, se comenzó a tener la necesidad de lograr encontrar una forma para cuantificar el tiempo. La definición de tiempo resulta ser una concepción compleja de algo que parece que sólo percibimos y sentimos, más no podemos precisar con exactitud qué es. Si se quiere entender al tiempo desde un punto de vista perceptivo,  se entiende como un período mediante el cual se realiza una acción o se desarrolla algún tipo de acontecimiento. Y, sin embargo, también hay una definición de tiempo desde el punto de vista científico, el cual establece que es una dimensión física la cual ayuda a representar los distintos estados sucesivos por los que la materia pasa.

Uno de los primeros instrumentos utilizados para tratar de cuantificar el paso del tiempo fue el llamado reloj de arena. Este objeto contiene, en su interior, una determinada cantidad de este material natural, la cual se introducía dentro de un contenedor, usualmente de vidrio, el cual se caracterizaba por su estrechez localizada a la mitad, la cual dejaba pasar una mínima cantidad de arena. La idea era tratar de medir el paso del tiempo de acuerdo a cuánto tarda en vaciarse la parte superior donde se almacenaba la arena hacia la parte inferior. Este instrumento no era preciso, e implicaba moverlo de posición constantemente.  Además, dependía de la cantidad de arena que tuviese en su interior.

El reloj de agua fue otra invención de la antigüedad. Este peculiar tipo de reloj dependía del aire, e incluso del sol, así como de otros fenómenos atmosféricos para poder funcionar al igual que el reloj de sol.  Otro caso interesante es el de los relojes de presas y de ruedas, los cuales presentaron una mayor precisión, aunque seguiría existiendo la necesidad de realizar importantes mejoras en la forma de medir el tiempo.

Es así como, posteriormente y con el paso de los siglos, ocurre la inevitable mejora de las técnicas empleadas en tecnología utilizada por el ser humano para medir el tiempo. Es de esta manera que se logra la creación del reloj tal y como lo conocemos hoy en día. Este tipo de funciona con un mecanismo interno, el cual está compuesto por una gran variedad de piezas que en conjunto ayudan a crear un movimiento, lo cual impulsa el movimiento de las manecillas del reloj de manecillas Es así como surge el alabado arte de la relojería, del cual son tan famosos los suizos.

En la actualidad, sucede que aún se siguen utilizando los relojes mecanizados; aunque los más populares son los analógicos o también llamados digitales. Éstos dependen de la energía proporcionada por una pequeña pila eléctrica, la cual ayuda enviar impulsos de energía los cuales hacen girar las agujas o en el caso de los relojes digitales marcar los números. Pero a pesar de todas estas grandes reformas que ha sufrido el reloj como tal, sucede que se sigue buscando la forma de lograr obtener una precisión total en la medida del tiempo.

Durante la primera mitad del siglo XX,  aparecería una invención que cambiaría radicalmente la forma en la cual entendemos el paso del tiempo. Nos referimos al reloj atómico. ¿En qué consiste? Pues, se trata de un dispositivo que obtiene energía a partir de la frecuencia de resonancia atómica, los cual se caracteriza por mantener una escala del tiempo, además de continuar estable. Esta última característica, convierte a este reloj en el más preciso de todos los tipos diferentes.

Teniendo en cuenta la importancia de los relojes de tipo atómico, en este artículo  explicaremos cuáles son sus características. Igualmente, realizaremos una descripción sucinta de su funcionamiento interno. Por otra parte, puntualizamos las bases teóricas que le hacen funcionar este aparato y como se puede  conseguir uno de estos objetos. Por ello, invitamos a nuestros lectores a repasar los párrafos que presentamos a continuación.

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¿Qué es el reloj atómico?

Un reloj atómico es una herramienta de medición del tiempo el cual funciona mediante frecuencias de resonancia de átomos a través de un resonador el cual está regulado exactamente para la radiación electromagnética de las microondas con las que trabaja. Teóricamente lo que hace funcionar a un reló que de este tipo es la transición cuántica de un átomo, o también molécula, para que sean adsorbidas y que emite un átomo. Se debe de tener en consideración tanto la inestabilidad como el nivel de éxito habilidad y que posee un electrón dentro de un período de tiempo, es decir, cada cierto periodo de tiempo la estabilidad cambia y durante este proceso se libera energía en forma de radiación.

Internamente un reloj atómico contiene un solo átomo. Para su construcción se debe tomar en consideración cuales son las propiedades que poseen ciertos niveles de átomos, los cuales generalmente se caracterizan por ser inestables. Por ejemplo, si a un átomo se le excita en exceso por un prolongado periodo de tiempo pasan a tener otro estado de inestabilidad, cuando la energía es liberada lo hace como radiación cuyas propiedades son aprovechadas para hacer funcionar al reloj.

Mientras el proceso descrito anteriormente sucede, se emite una frecuencia de vibración de radiación la cual es denominada patrón universal y es la que define el tiempo en un reloj atómico. Esta radiación depende del tipo y así como también de los niveles de energía emitidos por el átomo, aunque sin embargo en todos la frecuencia de vibración suele ser la misma independientemente de donde se encuentre en el universo. En promedio un segundo dura 9 192 631 770 oscilaciones de oscilaciones de una radiación emitida durante la transición desde el estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs), a una temperatura de 0 K.

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Historia del reloj atómico

Harold Lyons es el creador del primer reloj atómico de la historia en el año de 1949. Este diseño fue especialmente creado para el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología de EE. UU. (NIST). Sin embargo, la concepción de esta idea procede desde el año de 1879 cuando Lord Kelvin pensó en la posibilidad de sacar provecho de las vibraciones provenientes de átomos. A partir de que se desarrolla la resonancia magnética en el año de 1930 por parte de Isaac Rabí fue posible lograr el diseño del reloj atómico.

El primer prototipo es del año de 1948 y el encargado fue Willard Frank Libby tomando las ideas de Rabí. Este operaba dentro de espectro electromagnético que corresponde a los microondas, no tenía un alto grado de precisión pero fue un buen comienzo para poder desarrollar el reloj atómico como lo conocemos hoy en día. Hasta el año de 1955 Louis Essen desarrolla el que serie el modelo definitivo de estos relojes. La base del funcionamiento del reloj atómico actual es el átomo de Cesio-133, aunque otras versiones usan Rubidio -87 así como hidrógeno -1.

A principios del siglo XXI se desarrolla un modelo de reloj más pequeño, a escala de chip, el cual tenía un consumo de energía aproximado de 75 mW. A esa actitud con la cual funcionan los relojes atómicos actuales se basan en la lógica cuántica del mercurio y también en los iones de aluminio. Se incluye el uso de láser para poder enfriar a los átomos de cesio.

El tiempo atómico internacional (TAI)

Hasta los momentos, se considera que el reloj atómico más preciso de todo el mundo es el que se encuentra en el Laboratorio Nacional del Reino Unido. ¿Cómo se llama este reloj atómico? Su nombre es CsF2. Se trata de un aparato que utiliza como fuente de energía la emisión de cesio. De esta manera, ocurre que cada segundo es medido con ondas electromagnéticas y lleva por nombre espín. 

Internacionalmente, se ha creado una red constituida por 300 relojes de este tipo y ubicados en diferentes partes del mundo, los cuales ayudan a establecer un estándar internacional del tiempo. Es importante indicar que todos estos datos se recopilan y se promedian. Sin embargo, es posible que la precisión se pierda, siendo por ello necesario corregir este promedio de estándares de frecuencia de todos los continentes. ¿Cómo se hace esto? Pues, se lleva a cabo mediante el llamado “Tiempo Atómico Internacional”.

El Tiempo atómico internacional es una medida, la cual es el resultado de la comparación realizada entre todas las mediciones astronómicas. Tomando en consideración que los relojes atómicos utilizan distintos elementos, además del cesio, los cuales generalmente son el hidrógeno, mercurio, aluminio y también el estroncio.

Lo cierto es que hasta ahora se podido determinar que los más precisos son el cesio y el estroncio. Es por ello que con estos se han fabricado tres relojes que se encuentran ubicados en Colorado, región perteneciente a los Estados Unidos. Las mediciones de los datos que proporcionan todos los relojes es lo que permite crear el estándar de Tiempo Atómico Internacional, cuyas siglas son TAI. Se trata de una medición de notable relevancia, ya que sirve como pauta a los cronogramas de todo el planeta.

El segundo ya no dura un segundo

En comparación con los relojes convencionales, analógicos y digitales, sucede que los llamados relojes atómicos presentan una mejora notable en la precisión con la cual miden el paso del tiempo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que esta precisión puede variar, pero a su vez a mejorar de forma constante.

Por lo antes mencionado, ocurre que la duración de un segundo medido por estos diferentes instrumentos varía considerablemente. Aproximadamente, se sabe que un reloj atómico tiene un margen de error de un segundo lo cual ocurre cada 100 millones de años. En cambio, sucede que en otros relojes esto puede ocurrir en periodos de tiempo más cortos y constantes. Esta excelente precisión ha convertido al reloj atómico en un instrumento esencial empleado en el campo de la investigación científica. Por ello, su importancia y el esfuerzo por tener uno de tales aparatos en perfecto funcionamiento.

Hay que añadir que la utilidad de un reloj atómico es muy amplia, además de muy importante para la ciencia. El empleo de este instrumento es esencial para cronometrar reacciones químicas, encontrará ondas gravitacionales, variaciones en la velocidad del tiempo en fenómenos atmosféricos y otros tipos de experimentos también. Es decir, es perfecto para hacer mediciones de fenómenos estudiados desde la perspectiva científica.

Uno de los ejemplos más comunes de la utilidad de un reloj de este tipo es cuando se envían aviones hacia diferentes direcciones opuestas entre sí alrededor de la tierra. Este experimento se realiza en diferentes tiempos, de manera que se puede comprobar la relatividad. Incluso, sucede que la colocación de dos de estos dispositivos en lugares relativamente cercanos, ayuda a comprobar que el tiempo es relativo tal cual como lo explicaba Einstein. Es decir, queda claro que no es que los relojes tengan errores de precisión, sino que en cada espacio hay un tiempo distinto. ¡El tiempo no es algo absoluto!

En comparación un reloj analógico o mecánico, sucede que un reloj de tipo atómico funciona dependiendo del se moviliza dependiendo de las frecuencias que recibe por parte de las transiciones energéticas de los átomos. ¡Un inusual mecanismo de relojería! Una parte esencial de la estructura interna de uno de estos relojes es el horno, el cual es una placa de cesio mediante el cual se evaporan los iones de ese mismo metal; los cuales tienen propiedades magnéticas diferentes en cada uno de sus estados. También, se encuentra un imán el cual ayuda a separar y descartar a los iones de aquellos que poseen mayor cantidad de energía y el resto queda en una cámara. Dentro de esta cámara se ubica un radio emisor de microondas.  Sin duda, es un mecanismo complejo pero de una inmejorable precisión.

Si la frecuencia de onda radiada es acoplada con la de la frecuencia de transición, es cuando los iones de cesio absorben la radiación emitiendo luz. Durante este evento, sucede que una célula fotoeléctrica se encarga de capturar la emisión. Al estar célula conectada a un dispositivo electrónico es cuando se ajusta la frecuencia. Se marca que ha pasado un segundo cada que hay una cantidad de oscilaciones de 9.192.631.770 periodos dentro del campo eléctrico.  Esto sucede con enorme exactitud, siendo por ello que los relojes de tipo atómico son tan confiables.

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Comprar relojes de pulsera atómicos. ¿Es posible?

La posibilidad de llevar consigo un reloj atómico, bien sea en el bolsillo o en la muñeca, es una probabilidad que por mucho tiempo se pensó como muy poco probable. Los relojes atómicos, para poder funcionar, siempre  necesitan estar en entornos que les proporcionen estabilidad y sobre todo una temperatura fría, ya que es la única forma de obtener precisión. Sin embargo, es importante decir que la necesidad de tener al alcance de la mano un reloj atómico no lo tiene la mayoría de las personas.  Es decir, no es un reloj que puedas comprar y tener en tu casa, como si fueses de compra a una relojería.

Algunos de estos relojes de tipo atómico se ofrecen en venta. Vale decir que algunas personas están dispuestas a pagar la cantidad de dinero que sea con tal tener un reloj atómico, mismo que sea  fácil de llevar y que funcione en cualquier entorno. No obstante, aparte de ser un objeto costoso no es fácil de mantener. Por otra parte, no hay que ignorar que el mantenimiento de un reloj atómico es muy costoso. Por lo tanto, sucede que para muchos fabricantes la posibilidad de llevar a las grandes masas varios modelos de estos relojes es poco rentable. ¡Falta tiempo para poder considerar que el reloj atómico como un artículo de uso masivo!

Sin embargo, el primer reloj de pulsera del mundo ― con mecanismo atómico―es de la empresa Bathys Hawaii. Este instrumento está especialmente diseñado para personas que trabajan con estos dispositivos en sus trabajos en laboratorios de investigación científica. Se caracteriza por tener una precisión de un segundo perdido cada período de 1.000 años.

Su apariencia no es muy estética y su exactitud aún está a prueba por lo que es básicamente un prototipo que todavía no se encuentra disponible comercialmente.  Se espera que con el pasar de los años se perfeccione esta tecnología para poder llegar a un modelo que sea realmente portable y que no sufra ante cambios de temperatura.

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