Del cuarzo al reloj atómico de cesio

Por Tomás Unger

Con la llegada de los microcircuitos, la precisión en la medida del tiempo ha dado grandes saltos. La semana pasada vimos cómo el uso de las vibraciones del cristal de cuarzo ha aumentado espectacularmente la precisión de los relojes y reducido su precio. El aumento de precisión se debe a la mayor frecuencia de las vibraciones usadas para medir el tiempo. De una oscilación por segundo (un hercio) del péndulo pasamos brevemente al diapasón del Accutron con 300 Hz, y luego al cristal de cuarzo, con 32.768 Hz.

LA ALTA FRECUENCIA
Desde los años 50 los avances de la electrónica hicieron posible medir las vibraciones de microondas de diversos átomos. Primero fueron complicados instrumentos de laboratorio conectados a las primeras computadoras. Con estos se hicieron pruebas para usar las vibraciones de los átomos de hidrógeno y rubidio para medir el tiempo. En 1955 el científico británico Louis Essen, usando el átomo de cesio 133*, construyó en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido el primer reloj atómico.

Comparado con el período de una oscilación por segundo del péndulo, la vibración del átomo de cuarzo fue un avance espectacular de cinco órdenes de magnitud (5 ceros detrás de la cifra). El salto del cuarzo al cesio es igualmente espectacular, ya que el átomo de este tiene 9'192.631, 770 períodos en un segundo, lo cual le da un margen de error de 1 segundo en 80 millones de años.

La precisión del reloj atómico de cesio obligó a redefinir el segundo, hoy más exacto que nuestro planeta y su satélite. Esto ha permitido calcular con exactitud las variaciones en la duración del día y, como veremos luego, ajustar otras efemérides astronómicas. Un impacto más directo en nuestra vida cotidiana ha sido la aplicación de los relojes atómicos a diversas actividades, principalmente a la navegación por GPS que usa la demora de la señal para medir distancias.

HORA ATÓMICA POR RADIO
Una manera de mantener la hora con la precisión de un reloj atómico es la señal de radio. Con una demora de una milésima de segundo por cada 300 km, la señal del reloj atómico es captada por un radio reloj, lo cual le permite mantener su precisión más allá de lo que permitiría cualquier mecanismo. El primer país en hacer asequible la señal de un reloj atómico en una frecuencia de radio fue Alemania. Hoy en Europa diversas emisoras cubren desde el norte de Noruega hasta el norte de África y estaciones similares cubren Japón y los EE.UU.

Los radio relojes se sincronizan una vez al día y un indicador alerta al usuario cuando el reloj no ha podido sincronizarse (no ha captado la señal) durante las últimas 24 o 48 horas, con lo cual ya no necesitan un mecanismo muy preciso. Por otra parte, en agosto del 2004, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE.UU. presentó un reloj atómico a escala de chip con un requisito de 75 milésimas de vatio. Mientras que los primeros relojes de cesio costaban como un auto, los chips y la precisión cuestan cada vez menos y eventualmente el reloj atómico podría llegar a la muñeca.

EL AJUSTE DEL DÍA
El último avance en precisión es el reloj atómico de estroncio (Sr 84)**. Presentado en febrero de este año por los físicos del NIST y la Universidad de Colorado, el nuevo reloj tiene un error de 1 segundo en 200 millones de años. Aun antes de la aparición de este reloj, la precisión de los relojes atómicos fue suficiente para detectar la variación en la duración del día, determinada por la ubicación del Sol en el meridiano local. Debido a que la órbita de la Tierra es una elipse y que la Tierra se mueve más rápido cuando está cerca del Sol, la longitud del día varía a lo largo del año.

Para obtener la duración del día se hace un promedio entre todos los días de un año, ya que debido a las variaciones mencionadas la diferencia entre el día más largo y el más corto puede llegar a 22 segundos de adelanto o 29 segundos de retraso. Ya que este proceso es cíclico, la diferencia no se acumula. Sin embargo, debido al efecto de las mareas y de la Luna, la duración del día promedio va aumentando aproximadamente 1,7 milisegundos al siglo.

En 1820 el día tenía exactamente 86.400 segundos, siendo su duración promedio actual aproximadamente 86.400,002 segundos. Esto ha obligado a intercalar un segundo adicional para sincronizar los calendarios, cuya base es el tiempo solar medio (el promedio del día, una medida astronómica). Así, a medida que los relojes se han ido perfeccionando, ha sido necesario hacer ajustes para compensar los errores acumulados. Se ha tomado como base un segundo contado por el reloj atómico, definido como 1/86.400 del día solar promedio entre los años 1750 y 1892.

A partir de esta cifra, entre 1972 se han intercalado 17 segundos y el 31 de diciembre del presente año se intercalará uno más, con lo cual se sincronizará la duración del día con la del calendario. Entre 1961 y 1971 los relojes atómicos se han sincronizado con la rotación de la Tierra y, a partir de 1972, el tiempo emitido por los relojes corresponde exactamente a la fracción del día adoptada en 1967. Eventualmente se tendrán que volver a ajustar, ya que nuestros días seguirán siendo cada vez más largos, aunque en una proporción que solo la precisión de los relojes atómicos permite medir.

* El Cs 133 es la forma estable del cesio (número atómico 55), que tiene además 3 isótopos.
** El Sr 84 es la forma estable del estroncio (número atómico 38), que tiene además 8 isótopos.