Dos visitantes echan un vistazo a la escala de tiempo del reloj atómico en el Observatorio Naval de EE. UU. en Washington, D.C. El término "reloj atómico" puede evocar imágenes mentales aterradoras de películas de terror de la década de 1950:un dispositivo del Día del Juicio Final, construido por un maníaco con bata de laboratorio en una fortaleza de montaña, está contando los segundos antes de que acabe con todo nuestro planeta. Sin embargo, en realidad, los relojes atómicos son uno de los inventos más benignos que surgieron de la explosión (vaya, tal vez no sea la mejor elección de palabras) del conocimiento sobre el funcionamiento del átomo y sus partes. Ese conocimiento llegó a raíz del Proyecto Manhattan de la Segunda Guerra Mundial para desarrollar la bomba atómica.
Sin embargo, a diferencia de la bomba, los relojes atómicos no dividen los átomos y no explotan. En su lugar, usan la oscilación, es decir, el cambio en el flujo de carga eléctrica, entre el núcleo de un átomo y los electrones que lo rodean, de la misma manera que un reloj antiguo podría usar un péndulo. Debido a que la oscilación de un átomo involucra unidades de tiempo increíblemente pequeñas (un átomo de cesio, por ejemplo, tiene una frecuencia de 9,192,631,770 ciclos por segundo) y es extraordinariamente consistente, un reloj ajustado a esa oscilación puede marcar el tiempo mucho mejor que ese viejo abuelo. reloj [fuente:Britannica].
Por eso, desde su invención a fines de la década de 1940, los relojes atómicos se han convertido en una herramienta fundamental en un mundo moderno que depende de la tecnología. Los relojes atómicos permiten sincronizar el tiempo en sistemas complejos, desde Internet hasta el sistema de satélites de posicionamiento global.
Pero para algo que se ha convertido en una parte tan normal y útil de nuestras vidas, los relojes atómicos siguen siendo un poco arcanos y misteriosos. Estos son algunos de los innumerables datos extraños y sorprendentes sobre estos útiles dispositivos.
Contenido- Los relojes atómicos han cambiado la forma en que calculamos las unidades comunes de tiempo
- Un reloj atómico usa un solo electrón de cada átomo de cesio para marcar el tiempo
- Los relojes atómicos son increíblemente confiables ahora, pero los primeros no lo eran
- El cesio, el material utilizado en los relojes atómicos, es una especie de elemento extraño
- Un reloj atómico en realidad usa un trozo de cuarzo, no un átomo de cesio, para decir la hora
- En 2008, se agregó un segundo simultáneamente a cada reloj atómico en la Tierra
- Se utilizó un reloj atómico para demostrar que cuanto más alto se vive sobre el nivel del mar, más rápido se envejece
- Los científicos hacen que los relojes atómicos sean más precisos mediante el uso de rayos láser
- Los relojes atómicos hacen que sus conversaciones telefónicas sean comprensibles
- Un reloj atómico de próxima generación podría ser capaz de mantener el tiempo perfecto con el universo
10:Los relojes atómicos han cambiado la forma en que calculamos las unidades comunes de tiempo
Cuando los humanos comenzaron a rastrear el paso del tiempo hace miles de años, lo hicieron observando el movimiento aparente del sol a través del cielo, que en realidad se debió a la rotación de la Tierra, y basando las unidades de tiempo en ese viaje. Tradicionalmente, por ejemplo, un segundo se definía como 1/86.400 de la duración media de un día solar.
Pero con la llegada de los relojes atómicos, que eran mucho más confiables que el movimiento de la Tierra, se hizo necesario cambiar ese estándar. En 1967, el segundo se redefinió como el tiempo que tardó un átomo del isótopo cesio 133 en oscilar 9 192 631 770 ciclos [fuente:Sciencemuseum.org.uk].
9:Un reloj atómico usa un solo electrón de cada átomo de cesio para marcar el tiempo
Los electrones orbitan el centro del átomo, como los planetas que orbitan alrededor del sol. Como explicamos anteriormente, los electrones orbitan alrededor del centro de un átomo, que se llama núcleo. Imagina una versión extremadamente pequeña de nuestro sistema solar, con planetas girando alrededor del sol, y obtendrás una idea general. Los físicos han descubierto que los electrones son asombrosamente regulares en sus movimientos:tienden a permanecer dentro de un rango estrecho de órbitas, con la distancia desde el núcleo determinada por la cantidad de radiación que emiten en un momento dado. La distancia entre la órbita más baja y la órbita más alta en la que se mueve un electrón es la frecuencia.
En el caso del cesio, que se usa en los relojes atómicos, los científicos se enfocan en solo uno de los 55 electrones del elemento:el más externo, que ocupa una órbita notablemente más alta que el resto. La diferencia de energía entre la órbita más cercana al núcleo del electrón más externo y su órbita más lejana corresponde a una radiofrecuencia de 9.192.631.770 ciclos. Esa es la parte que los científicos usan para calcular el tiempo y dividirlo en unidades increíblemente breves de menos de una milmillonésima de segundo [fuente:Sciencemuseum.org.uk].
8:Los relojes atómicos son increíblemente fiables ahora, pero los primeros no lo eran
En 1948, la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos construyó el primer reloj atómico del mundo. En lugar de cesio, el primer reloj usaba átomos de amoníaco, que se calentaban y salían disparados de un tubo de cobre. Si bien el primer reloj demostró que el concepto de relojes atómicos funcionaba, en realidad nunca se usó para medir el tiempo. El primer reloj atómico se atrasaba aproximadamente un segundo cada cuatro meses. Eso lo hizo menos confiable que una tecnología existente, el reloj de cuarzo, que medía la oscilación de una pieza de cuarzo cuando se le aplicaba una carga eléctrica.
Eventualmente, los científicos cambiaron al uso de cesio, que tenía oscilaciones más cortas, y mejoraron el diseño de varias maneras. Un modelo de 1959 logró mantener el tiempo con un error de un segundo cada 2000 años, y para 1964, los relojes se habían vuelto tan precisos que les tomó 6000 años perder o ganar un segundo. Hoy en día, un reloj atómico de última generación estaría atrasado por solo un segundo después de 6 millones de años de uso [fuente:Sciencemuseum.org.uk].
7:El cesio, el material utilizado en los relojes atómicos, es una especie de elemento extraño
Científico alemán Robert Wilhelm Bunsen, hacia 1870 Para empezar, a veces se escribe "cesio". El cesio fue descubierto en 1860 por Robert Bunsen, mejor conocido por los estudiantes de química de secundaria como el inventor del mechero Bunsen. Y es algo tan extrañamente fascinante que a principios de la década de 1990 inspiró la creación de un grupo de noticias en Internet, Alt.cesium, que se dedicó a la "discusión, alabanza, veneración y adoración, la publicación de canciones, poesía, historias y parábolas de y sobre el más sublime de los elementos" [fuente:Nelson]. Comúnmente conocido como "el otro metal dorado", es uno de los tres únicos metales que no son de color gris o plata brillante (los otros dos son oro y cobre) [fuente:Scientific American].
El tipo de cesio que se encuentra en la naturaleza, el cesio 133, es bastante difícil de localizar. La fuente natural que produce la mayor cantidad es un mineral raro llamado polucita, que en los EE. UU. se encuentra en minerales de Maine y Dakota del Sur. Aunque es un metal, el cesio se derrite a una temperatura realmente baja, 82 grados Fahrenheit (22,7 grados Celsius), y explota cuando entra en contacto con agua fría [fuente:Laboratorio Nacional de Argonne]. En el aire, a veces se incendia espontáneamente, ardiendo con una brillante llama azul cielo [fuente:Nelson].
6:Un reloj atómico en realidad usa un trozo de cuarzo, no un átomo de cesio, para decir la hora
Probablemente esté un poco desconcertado por esto, dado que hemos pasado todo este tiempo diciéndole cuánto más preciso es un reloj atómico debido al uso de la oscilación del cesio. Pero la parte del reloj que realmente marca la hora es un oscilador de cristal de cuarzo estándar, que somete una parte del cristal a corriente eléctrica para hacerlo vibrar. La diferencia es que en la mayoría de los relojes de cuarzo ordinarios, el oscilador se sintoniza con precisión cuando se construye el reloj, pero su frecuencia nunca se verifica o ajusta después de eso, lo que significa que con el tiempo, se desarrollan ligeras variaciones que hacen que el reloj sea un poco más rápido o un poco más lento. poco lento Sin embargo, en un reloj atómico, la oscilación del cesio se usa para verificar la frecuencia del dispositivo de cuarzo, que es lo que le da al reloj una precisión tan sorprendente [fuente:Sciencemuseum.org.uk].
5:En 2008, se agregó un segundo simultáneamente a cada reloj atómico de la Tierra
Los relojes atómicos de todo el mundo se reinician periódicamente para asegurarse de que mantengan el tiempo perfecto con el planeta. Justo antes de las 7 p.m. el 31 de diciembre de 2008, los científicos adelantaron los relojes atómicos de todo el mundo exactamente un segundo para sincronizar el tiempo universal coordinado (UTC), el estándar internacional para relojes atómicos, con la rotación de la Tierra. No eran los relojes los que estaban apagados, sino el planeta, cuya velocidad de rotación se ralentiza unos dos milisegundos cada día por una variedad de frenos:polvo espacial, tormentas magnéticas, vientos solares, resistencia de su propia atmósfera y, lo que es más importante, , el tirón de la gravedad de la luna sobre la Tierra, que no solo causa las mareas oceánicas, sino que también hace que todo el planeta se abulte.
El efecto de todo eso es alargar el día solar y desviarlo ligeramente en comparación con nuestros relojes atómicos súper precisos. Se necesitarían cientos de años para que la discrepancia se hiciera evidente, por lo que la posición del sol en el cielo sería diferente de la hora en el reloj de una casa (que probablemente haya configurado de acuerdo con el número de teléfono de la hora correcta, que se basa en UTC). Para evitar que eso suceda, en 1972, un acuerdo internacional decretó que los relojes atómicos se ajustarían periódicamente al unísono [fuente:Dowling].
4:Se utilizó un reloj atómico para demostrar que cuanto más alto se vive sobre el nivel del mar, más rápido se envejece
La idea de que alguien que vive en una montaña envejece más rápido que una persona que vive en la playa puede parecer un poco absurdo, pero en realidad es la verdad. Este concepto fue propuesto por primera vez hace aproximadamente un siglo por el físico Albert Einstein, cuya teoría de la relatividad especial postuló que el tiempo no es constante, sino relativo. (Por eso lo llaman relatividad). En 2010, James Chin-Wen Chou y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) realizaron un experimento para probar el razonamiento de Einstein. Colocaron dos relojes atómicos a unos 30 centímetros de distancia sobre el nivel del mar y descubrieron que el más alto de los dos relojes funcionaba un poco más rápido. Sin embargo, en términos reales, la diferencia no sería notable; el habitante de la montaña envejecería alrededor de 90 mil millonésimas de segundo más rápido durante una vida de 79 años, según Chou [fuente:Connor].
3:Los científicos hacen que los relojes atómicos sean más precisos mediante el uso de rayos láser
El general Omar Bradley (1893 - 1981), quien estuvo al mando del 12º Ejército de EE. UU. durante los desembarcos del Día D, muestra un reloj de cristal de roca producido por su empresa, así como un reloj atómico. Si alguna vez has visto esa escena en la película "Goldfinger" durante la cual el villano amenaza con cortar a James Bond por la mitad con un láser, probablemente te estés preguntando por qué un láser no quemaría un agujero a través de un reloj atómico, en lugar de haciendo que funcione con mayor precisión. Pero en realidad puede hacer lo último. Ten paciencia porque esto se vuelve bastante complicado.
Los relojes atómicos esencialmente bombardean átomos de cesio con microondas para provocar alguna acción, que luego los científicos pueden medir. La limitación de los relojes atómicos convencionales ha sido que solo pueden captar una pequeña porción de los átomos de cesio con el microondas. Al someter los átomos a un rayo láser, un proceso llamado bombeo óptico láser, puede reducir la velocidad de los átomos, lo que le da a las microondas más posibilidades de golpearlos. Eso, a su vez, genera una señal más precisa, lo que permite a los científicos utilizar la oscilación de cesio para marcar el tiempo con mayor precisión. Curiosamente, el proceso también enfría los átomos de cesio, hasta unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto en la escala Kelvin [fuente:Buell y Jaduszliwer].
2:Los relojes atómicos hacen que sus conversaciones telefónicas sean comprensibles
En estos días, las compañías de telecomunicaciones transmiten llamadas telefónicas en partes llamadas paquetes, lo que les permite bombear una gran cantidad de conversaciones a través de sus cables al mismo tiempo. Cuando llamas a alguien en otra ciudad, tus palabras se dividen y se transmiten entre computadoras en cada extremo, que van y vienen entre una conversación y otra, miles de veces por segundo. Sin embargo, para que eso funcione, las dos computadoras deben permanecer en perfecta sincronización, como un par de jugadores de ping pong increíblemente ágiles que pueden golpear el equivalente a un camión lleno de pequeñas pelotas entre sí a una velocidad vertiginosa y nunca perder ni una sola. Si fallan, las llamadas se mezclarán y sonarán como un galimatías. Es por eso que las compañías de telecomunicaciones en estos días tienen sus propios relojes atómicos para evitar que esto suceda, al mantener las computadoras casi perfectamente sincronizadas entre sí en todo momento [fuente:Sciencemuseum.org.uk].
1:Un reloj atómico de próxima generación podría ser capaz de mantener el tiempo perfecto con el Universo
Pronto, los relojes atómicos podrían ser incluso más precisos. Los científicos siguen soñando con formas de hacer que los relojes atómicos sean cada vez más precisos, pero los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Nevada propusieron recientemente un avance verdaderamente alucinante. En términos muy simplificados, este es el trato:quieren usar láseres para reorganizar las piezas de un átomo, de modo que puedan usar un neutrón en órbita, en lugar de un electrón, como el equivalente de un péndulo. El resultado podría ser un reloj que sería 100 veces más preciso que cualquiera que exista ahora, tan preciso que solo perdería o ganaría menos de una vigésima parte de un segundo en 14 mil millones de años. Considere esto:el universo en sí tiene aproximadamente 14 mil millones de años, por lo que si este reloj pudiera enviarse de alguna manera en una máquina del tiempo al momento del big bang que comenzó todo, todavía estaría funcionando hoy, en un paso virtualmente perfecto con cada momento que ha ocurrido [fuente:Science Daily].
Nota del autor
Siempre me ha fascinado el cronometraje y los relojes, y como estudiante de escuela primaria en la década de 1960, aprendí por primera vez sobre la maravilla de los relojes atómicos que podían medir pequeñas unidades de tiempo con una precisión increíble. Pero hasta que comencé a investigar para este artículo, nunca se me había ocurrido que era posible construir un reloj que fuera más preciso para medir el tiempo que la rotación de la Tierra. Pero dado que los relojes atómicos se han utilizado para probar la teoría de Einstein de que el tiempo es relativo a la posición y la velocidad de uno en lugar de constante, tengo que preguntarme si realmente existe algo como el tiempo correcto. ¡Creo que voy a usar eso como una excusa la próxima vez que llegue tarde a una fecha límite!