ENGLISH
GRETTEL RIVERA ALVARADO Y MARCELA PRENDAS PEÑA (COSTA RICA)
En la escuela nos enseñaron que los átomos son los componentes fundamentales de la materia. Un átomo en particular tiene un rol fundamental para medir el tiempo.
Ana va de camino a su primer día en la Universidad. Su mañana empezó algo apurada. El despertador no sonó y se levantó tarde. Se bañó rápidamente, desayunó algo ligero y se despidió de su mamá.
En el autobús mira constantemente la aplicación de mapas de su teléfono móvil para corroborar el estado del tránsito. La aplicación que emplea GPS le indica que podría llegar 15 minutos tarde. Para Ana, cada segundo de atasco vehicular cuenta. Después de todo, es su primera clase de la carrera de Física.
¿Crees que Ana llegará a tiempo?
La confiabilidad que brindan tu teléfono y la Internet te ayuda a levantarte a tiempo o recordarte que tienes que estudiar para el examen. Estas herramientas funcionan gracias a que los sistemas de telecomunicaciones están sincronizados en tiempo para tener precisiones de menos de un segundo.
Pero, toma en cuenta que en las mediciones siempre hay un margen de error . Tal vez te ha pasado que el mapa del teléfono te indica que falta cierta cantidad de tiempo para llegar a un lugar, pero cuando llegas, te das cuenta que llegaste más tarde o en el mejor de los casos, llegaste antes.
Anteriormente, la forma natural de medir el tiempo era el día, el cual se define por la rotación de la Tierra sobre su propio eje. Por tradición, cada día está dividido en 24 horas, cada hora en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos.
¿Cómo nos aseguramos que las mediciones del tiempo sean lo más exactas posibles? Pensarás que un segundo es un segundo… pero ¿cómo llegamos a calcularlo?
Midamos el tiempo con átomos
Desde 1967 los científicos de los Institutos Nacionales de Metrología utilizan el elemento químico cesio (Cs) para medir el tiempo de manera precisa con relojes atómicos. Para ello, utilizan la frecuencia de transición del isótopo de cesio 133 como base para definir la duración del segundo en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
Probablemente has estudiado la tabla periódica de los elementos, ¿no? Recordarás que los elementos están compuestos por átomos de la misma clase. En el núcleo de cada átomo hay un número definido de protones y neutrones. Y a su alrededor, electrones; en igual número que los protones.
Sin embargo, existen los isótopos: átomos de un mismo elemento que en sus núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones y, por tanto, distinto número másico.
Los electrones de un átomo giran en capas alrededor del núcleo en la llamada nube electrónica. Cada capa de la nube tiene un nivel de energía y si queremos hacer que un electrón salte de una capa a otra superior, necesitamos que el átomo reciba energía. ¿Qué tiene que ver todo esto con el cambio de la frecuencia y el segundo?
Cada capa tiene un nivel de energía. Entonces, si queremos cambiar de posición a un electrón de una capa a otra superior, debemos entregarle al átomo una energía igual a la diferencia energética entre ambos niveles. ¿Y cómo transferimos esta energía? Una de las formas de hacerlo es con radiación, brindando ondas energéticas que tienen frecuencias específicas. Recuerda que la frecuencia es el número de veces que se repite un suceso en un período de tiempo. En este caso, es el número de veces que se repite el patrón de la onda en un segundo.
¡Y aún hay más! El átomo de cesio 133 tiene un único electrón en su capa más externa. Si controlamos la cantidad de energía que emitimos al átomo, podemos lograr que el electrón salte hasta el nivel que queremos. Y ese movimiento del electrón es lo que se utiliza para definir un segundo.
En base a la nueva definición, el segundo es igual a la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133.
Nuestro ojo no está diseñado para ver este movimiento dentro del átomo. Por eso los metrólogos, científicos que estudian las unidades de medida que utilizamos diariamente, utilizan equipos especiales como el reloj atómico de cesio para realizar la medición.
En estos dispositivos, un generador de microondas irradia los átomos del cesio 133, mientras que un magneto selector de estados separa los que estén polarizados, permitiendo contar los átomos con el nivel de energía de transición esperada. De hecho, el segundo es la unidad de medida más exacta, y por ello otras unidades como el metro o el volt se miden a partir de ella.
El tic-tac que marca nuestra vida
El tiempo es una magnitud física que impacta en todas las actividades de la vida. Todas las personas tenemos un reloj y organizamos nuestra vida en torno a él.
No importa si vives en Costa Rica, Argentina, México, Estados Unidos, Alemania o Italia, el segundo durará lo mismo en todos los países del mundo.
Aunque no estemos totalmente sincronizados, los laboratorios de tiempo e Institutos Nacionales de Metrología (INM) de todo el mundo comparan sus relojes atómicos para, de esta manera, calcular el UTC – Tiempo Universal Coordinado. El UTC es la referencia de tiempo mundial y está basado en el promedio ponderado de los datos obtenidos.
Por ejemplo, en Costa Rica, el Laboratorio Metrológico de Variables Eléctricas (LMVE) del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) es el encargado de realizar la hora local y compararla con la del resto de los laboratorios alrededor del mundo.
La Internet, tu computadora, el teléfono móvil de Ana, las tabletas, los satélites alrededor de la Tierra, el receptor GPS de un avión y otros equipos de telecomunicaciones y posicionamiento, emplean el UTC como referencia para su funcionamiento. Podríamos decir que necesitan tener un segundo en común.
Imagina si un avion comercial no tuviera su receptor GPS calibrado de manera correcta, o no recibiera instrucciones a tiempo por parte de la torre de control; habría riesgo de un accidente y pérdida de vidas humanas.
Los aviones requieren indicaciones en tiempo real para operar con seguridad. Si no midiéramos lo que es un segundo, los horarios de trenes y autobuses serían un caos en cualquier país del mundo. Y los dispositivos móviles no funcionarían bien al contar nuestros pasos cuando corremos o para recordarnos que debemos despertar temprano.
Ahora, volviendo con Ana…
Por fin, el autobús llega a la parada donde Ana debe bajarse. Ella corre y llega a su clase. Revisa la pantalla de su teléfono. El reloj marca las 08:20. Sonríe al ver que su profesor aún no ha llegado.
Feliz por su suerte, Ana se prepara para convertirse en física y quién sabe, quizá algún día ella descubra una nueva forma de medir el tiempo de forma mucho más exacta que la actual.
1 El PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) es el Instituto Nacional de Metrología de Alemania.
Información adicional
El reloj atómico de cesio es uno de los instrumentos que se utilizan para realizar el segundo y consiste en:
- Un oscilador interno (átomos del isótopo cesio 133, debido a que brindan una gran exactitud en la medición, exitados por microondas o láser).
- Un mecanismo de conteo para medir la frecuencia de transición del isótopo de cesio 133.
- Sistemas electrónicos de control para mostrar y desplegar información (pantalla que muestra la hora, salida de pulsos por segundo, salida de frecuencia, etc.)
