A pesar de sus años de existencias, el reloj atómico no llegará pronto a los hogares: puede ser del tamaño de un armario y consistir en una masa entrelazada de acero inoxidable, láseres, alambres y cables, todo conectado a una cámara de vacío que contiene un microscópico, estrella del espectáculo.
Durante la Segunda Guerra Mundial, los científicos descifraron por primera vez los secretos del átomo, dando origen al estudio de la física cuántica y las posibilidades de utilizar los bloques de construcción más pequeños de la materia para aplicaciones prácticas, incluido el reloj atómico.
Un reloj atómico emplea los mismos procesos fundamentales que un reloj de pie o un reloj de pulsera
Un reloj atómico emplea los mismos procesos fundamentales que un reloj de pie o un reloj de pulsera.
Hoy en día, el cronometraje exquisitamente preciso de los relojes atómicos se utiliza para medir el tiempo y la distancia para todo, desde nuestro Sistema de Posicionamiento Global (GPS), comunicaciones en línea en todo el mundo, fracciones de segundo en el comercio de acciones y carreras cronometradas en los Juegos Olímpicos. Pero, los científicos han desarrollado relojes atómicos aún más avanzados que podrían revelar más sobre las partes misteriosas del universo, como la materia oscura, de lo que jamás hemos visto.
Una breve historia subatómica
Después del advenimiento de la física atómica, los científicos desarrollaron una forma de pasar átomos de cesio a través de ondas de radio y luego microondas, una forma de radiación electromagnética de alta frecuencia.
En esta forma temprana del reloj atómico, la sacudida de energía de la radiación hacía que los electrones de los átomos saltaban de un lado a otro entre los niveles de energía, u órbitas, alrededor del núcleo del átomo. Debido a que los átomos de un elemento individual responden solo a una frecuencia específica y única (la cantidad de ondas que pasan por un punto en el espacio en un período de tiempo determinado), los científicos podían medir esta frecuencia para obtener una medida estándar y precisa del tiempo.
"El hecho de que la diferencia de energía entre estas órbitas sea un valor tan preciso y estable es realmente el ingrediente clave para los relojes atómicos"
"El hecho de que la diferencia de energía entre estas órbitas sea un valor tan preciso y estable es realmente el ingrediente clave para los relojes atómicos", señala Eric Burt, físico de relojes atómicos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. “Es la razón por la que los relojes atómicos pueden alcanzar un nivel de rendimiento superior al de los relojes mecánicos”.
El cesio fue uno de los primeros candidatos para crear un mejor cronometrador, porque los átomos de este elemento tienen una frecuencia de resonancia mucho más alta que el cuarzo que se usa en los relojes de pulsera.
La capa exterior del cesio tiene un solo electrón, lo que lo hace químicamente reactivo a la radiación de microondas. Debido a que puede contar cuántas veces los electrones saltan entre dos niveles de energía en un átomo de cesio en un período de tiempo determinado, esta frecuencia se ha convertido en la herramienta de medición oficial para la duración de un segundo.
El reloj atómico más preciso de hoy tardaría alrededor de 30 mil millones de años en perder un segundo. En comparación, los relojes mecánicos pueden perder varios segundos cada mes, dicen los científicos. ¿Cuál es el punto de un reloj con ese tipo de precisión extrema? Por un lado, conduce a experimentos asombrosos que prueban los principios de la relatividad con mayor precisión, como mantener dos relojes atómicos a diferentes elevaciones y ver que "marcan" a diferentes velocidades porque experimentan diferentes niveles de gravedad. Una segunda razón es que abren nuevas vías de investigación con las que los científicos solo han soñado, como estudiar la materia oscura mediante el examen de pequeños cambios en las ondas gravitacionales.
El reloj atómico óptico
El físico Jun Ye del NIST, donde los científicos desarrollaron el primer reloj atómico, está trabajando en un tipo de diseño relativamente nuevo, el reloj atómico óptico, en colaboración con el Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JIL ) en Boulder, Colorado.
La configuración libera láseres en una nube de cientos de miles de átomos de estroncio sobreenfriados
En lugar de usar microondas, la configuración libera láseres en una nube de cientos de miles de átomos de estroncio sobreenfriados. Los láseres ponen en movimiento estas oscilaciones cuánticas y también realizan un seguimiento de los saltos de electrones dentro del átomo. Los láseres están sintonizados para coincidir con precisión con la frecuencia de la luz que emite un electrón cada vez que cambia de nivel de energía.
