¿Existe un reloj absolutamente exacto?.

¿Tienes un segundo?. La pregunta, a bote pronto, puede parecer muy sencilla. Pero, ¿Qué es un segundo? ¿Qué utilizan los científicos para medirlo con precisión? En este artículo explicaremos la respuesta a ambas preguntas y descubriremos la importancia de cierto elemento químico en el arte de medir el tiempo.

Es probable que apenas recuerdes cómo están colocados los elementos en la tabla periódica. Como las capitales del mundo o la lista de los reyes godos, es una cosa que poco a poco vamos olvidando. Pero si empiezas a recitar: hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio… Seguro que sabes qué viene después. Efectivamente: el cesio. El cesio es un metal de color gris que a pesar de ser sólido a temperatura ambiente, se funde en tus manos. El cesio es el elemento que se usa desde 1967 para medir, con la mayor precisión posible, el tiempo.

¿Cómo funciona un reloj?

Cualquier reloj funciona midiendo la cantidad de “golpes” que da un objeto que vibra, que resuena. En un reloj de pared, cada ir y venir del péndulo hace que se muevan los engranajes. En un reloj digital, la energía eléctrica hace vibrar un cristal (de cuarzo, normalmente) y un contador electrónico mide las oscilaciones. En un reloj de cesio se calienta una placa de este metal. Se consiguen así átomos de cesio en estado vapor. Estos átomos son de dos clases (o energías) distintas, dependiendo de una propiedad de su electrón más externo: el espín. Gracias a un imán, podemos separar los átomos menos energéticos y llevarlos a una cámara. Una vez ahí, se utilizará radiación de microondas (ver esquema de la figura) para que se conviertan en átomos energéticos. Cuando estos vuelvan al estado natural, emitirán luz que podremos captar con un sensor como el de una cámara de fotos. Cada “caída”, cada bajada de energía, es como una oscilación.

Un átomo de cesio 133 produce 9.192.631.770 oscilaciones en un segundo. Como nunca emite ni una más, ni una menos, podemos definir el segundo gracias a este elemento químico. Los relojes que usan estos sistemas se conocen como relojes atómicos. También se fabrican con otros elementos, como el hidrógeno o el rubidio. El reloj más preciso del mundo, el USNO-Master Clock de la Armada Estadounidense, es una combinación de varias decenas de relojes atómicos de estos elementos y no se desajustará en 30 millones de años.

Relojes todavía más precisos.

En la actualidad se investigan relojes todavía más precisos que el Master Clock. En el NIST (el instituto oficial de estándares y medidas de EE UU) han desarrollado un reloj más avanzado (llamado “de lógica cuántica”) que solo perderá un segundo cada 100 millones de años. En el Observatorio de París intentan ir aún más allá y diseñar un reloj que no se desajuste en 32.000 millones de años. Eso equivale a más de dos veces la edad del universo así que, si lo consiguen, tendremos relojes precisos hasta… que se acabe el tiempo.

¿Qué es un Kg.?

La respuesta corta es que hace unos 150 años se decidió que la masa de cierta pequeña pesa iba a ser 1kg. Y a partir de este prototipo hemos calibrado todas las basculas y aparatos del mundo, llevamos mucho tiempo funcionando de esta forma y como podrán ver tener una pesa protegida por varias campanas en el sótano, en una caja blindada, a 8 metros de profundidad no es lo más tranquilizador del mundo, por eso recientemente el Kg. ha dejado de estar ligado a un prototipo y ahora se ha redefinido a VALORES NUMÉRICOS CONSTANTES FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA. Y que significa esto? Imaginemos que hubiéramos vivido en un lugar en donde hubiera existido el prototipo de un segundo, UN PÉNDULO que al completar su recorrido marcara 1 segundo, que esta fuera su definición, sería la referencia internacional y montones de relojeros irían a calibrar sus aparatos en las varias cámaras de seguridad que protegen al péndulo como le pasaba al prototipo del kilo.

En paralelo a todo esto, unos científicos han descubierto que los ÁTOMOS DE CESIO tienen algo muy interesante explicados correctamente, emiten un tipo de microonda muy específica y que, con las técnicas correctas son capaces de medir con altísima precisión, pueden averiguar cuanto tarda esta onda en completar una oscilación con 100 mil veces más precisión que un reloj de muñeca, los científicos llevaron el CESIO a la cámara del péndulo y comparándolo averiguaron la fracción ínfima de 1 segundo en la que vibraban estás microondas, o explicándolo de forma más técnica, el número de estas oscilaciones lumínicas que cabrían en 1 segundo.

Fue entonces en donde a alguien se le ocurrió; ¿Para qué seguimos utilizando el péndulo si podemos utilizar las microondas del CESIO? Es decir, ya sabemos que 1 segundo son 9 192 631 770 oscilaciones del CESIO. Así que puedo tirar el péndulo por la ventana y guardar este número. ¿Un relojero japones necesita calibrar sus aparatos? Ya no necesita venir a ninguna cámara, simplemente, le pasamos el número, la constante, hace el experimento del CESIO y así puede saber con independencia cuanto es un segundo, y como las propiedades elementales del CESIO no cambian con donde estés en el mundo, o en que año vivas, podemos asegurar que un segundo, siempre seguirá siendo un segundo y no dependemos de piezas físicas que se puedan estropear o dañar. La definición de la unidad segundo está ahora ligada a una constante fundamental de la naturaleza. Y este mismo juego se ha hecho con el resto de unidades, por ejemplo, ¿Qué es un metro? Se puede averiguar viendo como estas microondas del CESIO se propagan.

Como sabemos cuanto se tardan en oscilar y sabemos a la velocidad que se mueve la luz, podemos fijar, guardar este valor y sabiendo cuan rápido te mueves y cuanto tardas, puedes saber cuanto te has movido, es decir, averiguar cuanto es un metro. ¿Qué es un metro? Está ligado en este caso a dos constantes fundamentales, el kilogramo o más formalmente el kilo, que es más complicado. El experimento que nos da el valor es una balanza que transforma un peso en valores eléctricos a través de fenómenos cuánticos de muy alta precisión, el peso es una fuerza, y las fuerzas provocan aceleraciones, por lo que cuanto, es este kilo, dependerá de lo que define al metro y al segundo, pero al estar usando fenómenos cuánticos introducimos la constante fundamental del mundo en miniatura, la constante de PLANCK conociendo los numéricos de esta constante podemos definir que es 1 kilo.
Técnicas de este estilo se utilizan para redefinir el resto de unidades. Brevemente, el kelvin, en vez de estarlo derivándolo del punto triple del agua, se calculará midiendo la energía cinética promedio de un sistema de muchas partículas, lo que lo conecta con la constante del mundo estadístico, la constante de boltzmann a su vez como se mide una energía las constantes implicadas de masa, espacio y tiempo también intervienen. El amperio se medía también a través de la fuerza electromagnética que sentían dos cables, ahora a grandes rasgos se define como un cierto número de veces la carga del electrón por segundo, lo que lo liga a la frecuencia del cesio y a la carga
elemental.

* Fernando Gomollón Bel es investigador en el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (UZ-CSIC) y colabora habitualmente en el blog Moléculas a reacción. Agradece a Laura Morrón, de ’Los Mundos de Brana’, las revisiones y comentarios al artículo y a Eduardo Actis por convencerle para participar en este proyecto.

Este artículo participa en el LI Carnaval de Física (organizado por ZTF News) y en el XXXIV Carnaval de Química – Edición Selenio (organizado por Moles de Química).