Latidos

Del reloj de cuarzo al de estroncio.

Minerales de cuarzo (dióxido de silicio, SiO2)

En el universo nada está quieto, desde los astros que huyen a gran velocidad hacia unos confines inciertos, hasta el corazón de la materia aparentemente inerte. Los electrones orbitan alrededor del núcleo del átomo como los planetas alrededor de los soles. En el espacio-tiempo, todo vibra, emite pulsaciones, oscila, late. Las mentes extraordinarias de los científicos saben aprovechar estas propiedades.

Como todos los materiales rígidos, un trozo de cuarzo vibra con frecuencias específicas. En 1880, los dos hermanos Pierre y Jacques Curie, físicos franceses, descubren el efecto piezoeléctrico del cuarzo que posee la capacidad de generar cargas eléctricas en su superficie cuando está sometido a fuerzas mecánicas y viceversa. Esta capacidad permite la fabricación de relojes, que hasta entonces eran mecánicos y dependían de un muelle, un oscilador y un escape para funcionar.

RELOJ DE CUARZO

El primer reloj de cuarzo, llamado Crystal clock, fue creado en 1927 por Warren Marrison y J.W. Horton de los laboratorios de Bell Telephone. Estaba constituido por tubos electrónicos y tenía el tamaño de un frigorífico. Tenía un margen de error de un segundo por decenio.

Los cristales de cuarzo vibran u oscilan cuando son atravesados por una corriente eléctrica de tipo alterna, que se genera con una pila especial. En 1967, se presentan los dos primeros movimientos de cuarzo para reloj de pulsera, uno por el Centre Électronique Horloger (movimiento Beta 1) y el otro por el centro de investigación y desarrollo de Seiko. La precisión de un reloj de cuarzo es diez veces mayor que el mejor de los mecanismos de relojería mecánica.

El primer reloj de pulsera de cuarzo comercializado, el Seiko Quartz Astron 35SQ, aparece en 1969. Salen 100 ejemplares con caja de oro y tiene el precio de un coche.

Seiko Quartz Astron 35SQ
(Deutsches-uhrenmuseum, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0&gt;, via Wikimedia Commons)

Los primeros relojes suizos de cuarzo utilizando el movimiento Beta 1, se comercializan a partir de 1970.

El Beta 1

RELOJ ATÓMICO

Frente a la necesidad de precisión creciente de la ciencia y de las tecnologías punta, el cuarzo es demasiado impreciso. La siguiente etapa es el reloj atómico. En éste, la estabilidad de un oscilador electrónico no depende de un solo cristal, sino de una onda electromagnética (que tiene la misma naturaleza que la luz) emitida por un electrón durante su transición de un nivel de energía a otro dentro del átomo.

El primer reloj atómico apareció en 1947; utilizaba las transiciones atómicas de la molécula de amoniaco. Después se utilizó el rubidio y, en 1955, se creó el primer reloj atómico de cesio, el más pesado de los metales alcalinos. Iba a servir de base para definir el tiempo atómico internacional (TAI), un estándar de tiempo calculado a partir de una media ponderada de las señales de unos 450 relojes atómicos repartidos por el mundo. La precisión es de un femtosegundo (10-15), que es la ¡¡milbillonésima parte de un segundo!!

Cápsula de cesio

DEFINICIÓN DEL SEGUNDO

El organismo encargado de establecer el tiempo atómico internacional es el Bureau international des poids et mesures (BIPM), sito en Sèvres, Francia. En 1956 se define el segundo como la 31.556.925,9747 parte del año trópico tomando como referencia el año 1900. (En astronomía el año solar se denomina año trópico y se acepta una duración de 365,2422 días pero no es constante, varia cada año. Es distinto del año civil utilizado actualmente en occidente y de manera casi universal, que tiene una duración media de 365,2425 días si computamos el número total de días en 400 años.)

Desde 1967, la duración del segundo ya no se calcula con el movimiento de la tierra sino de un átomo. El estándar del tiempo principal para definir el segundo es ahora “el estándar de cesio”, basado en la frecuencia de transición del átomo de cesio. El año ya no corresponde a un número de días, sino a 290.091.200.500.000.000 oscilaciones de cesio, con un margen de una o dos oscilaciones. Un segundo, definido por el Sistema Internacional de Unidades (SI), equivale a 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación del isotopo 133 del átomo de cesio a -273,15º Celsius a nivel del mar.

Sin embargo, esta definición es demasiado perfecta para la Tierra cuya rotación no tiene una duración regular. El Tiempo Universal coordenado (UTC) permite ajustar el tiempo atómico al tiempo solar. Cada seis meses, el IERS (Servicio Internacional de la Rotación de la Tierra) puede añadir o quitar un segundo al tiempo atómico, son los “segundos intercalares”. Hay 37 segundos de diferencia entre el TAI y el UTC, son el resultado de la diferencia inicial de 10 segundos a principios de 1972, más 27 segundos intercalares añadidos desde 1972.

Además, el estándar de cesio es fundamental para la infraestructura de transmisión de datos de las redes celulares, GPS e Internet.  

TRES NUEVOS TIPOS DE RELOJES ATÓMICOS

Oro y otros minerales metálicos:
Pirita, calcopirita, hematites, galena, magnetita, rubí, zafiro.

Unos científicos del Instituto Nacional de Estándares  y Tecnología de EE UU publicaron en marzo 2021 los resultados de una investigación llevada a cabo en 2017 y 2018. Han logrado comparar la marcha de tres de los relojes atómicos más precisos del mundo, basado en iones de átomos de tres metales: iterbio, estroncio y aluminio. Los han conectado a distancia para medir sus diferentes oscilaciones y han descubierto que tienen más oscilaciones que el cesio, lo que permitirá determinar más fracciones de segundo y por tanto obtener mediciones infinitamente más precisas, que ayudarán a redefinir el segundo y serán útiles para investigar la materia oscura en el universo o probar ciertos aspectos de la Teoría de la Relatividad.

Los tres dispositivos comparados son de red óptica, que para medir el tiempo utilizan la frecuencia de una transición atómica, la luz emitida o absorbida cuando un átomo cambia de un estado de energía a otro. Los relojes fueron colocados en diferentes sedes separadas por kilómetro y medio y unidos por un cable de fibra óptica y por un láser ultrasensible. Los relojes basados en diferentes átomos marchan a diferentes frecuencias. En este caso funcionan dentro de un nivel de incertidumbre tan pequeño que ni siquiera ganarían o perderían un segundo sobre la edad del universo.

La tecnología desarrollada para coordinarlos es tan precisa que sus errores no son superiores a 0,000000000000000008, lo que es más exacto que cualquier sistema inalámbrico conocido hasta ahora. Estas mediciones fueron “las más exactas que se hayan hecho jamás de constantes de la naturaleza”.

Estos relojes son cien veces más precisos que los relojes de cesio.

Reloj atómico basado en átomos de estroncio. National Institute of Standards and Technology.

APLICACIONES FUTURAS

El hecho de poder conectar los relojes de alta precisión mediante enlaces de espacio libre, permitirá aplicaciones fuera del laboratorio, como la topografía.

La gravedad de la tierra hace que la frecuencia de un reloj atómico dependa de su altitud, de acuerdo a la teoría de la relatividad de Einstein. En consecuencia, la diferencia de altura entre dos relojes remotos se puede determinar midiendo sus diferencias de frecuencia. Con el nivel de incertidumbre logrado, las comparaciones entre relojes  podrían resolver diferencias del tamaño de un centímetro de altura. Por lo tanto, los relojes podrían suponer una nueva herramienta para el monitoreo ambiental a largo plazo de, por ejemplo, capas de hielo o niveles del océano.

Las investigaciones demostraron otra intrigante aplicación de las comparaciones de relojes. Los autores utilizaron las relaciones de frecuencia de los relojes para buscar señales de posibles interacciones entre átomos y materia oscura.

Fuentes: Wikipedia, tempus.tablos.net, www.madrimasd.org y www.20minutos.es.

No tendré la osadía de afirmar que entiendo perfectamente todos los conceptos que acabo de exponer; no hace falta, son fascinantes y eso basta. Para un profano, esta complejidad, este grado de precisión, este conocimiento de la materia, del universo, va mucho más allá de la ciencia, alcanza otro nivel, el de la poesía pura que acelera los latidos del corazón. Siento que hay una belleza inmensa y perturbadora en ello. Los poetas lo saben, como Andrés Neuman, que tuve el gran placer de escuchar en persona en el Aula de Poesía hace ya diez años, y que ha dedicado varios poemas a la ciencia.

Terminaremos con el final de su Tempus ex machina:

«En el compás del mundo siempre ha habido / un reloj conmoviéndose. […] Los ingenios actuales (¿actual que pase el tiempo?) / desearían fundirse con su objeto inasible, / aspiran a la invisibilidad. / Han conocido el cuarzo / que regula su vena diminuta / o la energía atómica del cesio / seducido por leves magnetismos. / Digitales, sin cuerpo, transparentes. / Hojas del huracán. / Con pantallas de agua. Iluminados. / Así son los relojes de mi tiempo. / Con pilas que alimentan como un grano de arroz. / Y con el mismo amor, el mismo pulso, / eternos como nunca lo seremos.»

Andrés Neuman Galán. (Buenos Aires, 1977)