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CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

¿Existe el reloj absolutamente exacto?

Por Fernando Gomollón Bel (CSIC)*

“¿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.

Cápsula con cesio.

Cápsula con cesio. Dnn87, Wikimedia Commons.

 ¿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.

Esquema de funcionamiento de un reloj atómico (fuente: elaboración propia)

Esquema de funcionamiento de un reloj atómico. Fuente: elaboración propia.

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.

* 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).

11 comentarios

  1. Dice ser cokito

    El reloj más exacto del mundo es el de agujas que está parado; dos veces al día da la hora exactamente

    30 Abril 2014 | 11:42

  2. Dice ser Jose Maria

    ¿Y con qué reloj se compara para ver la exactitud?

    30 Abril 2014 | 12:15

  3. Dice ser Jesús

    El artículo hubiera estado más interesante si se explicara que uso práctico tienen esos relojes atómicos, aparte del placer del científico en inventarlo. Los satélites que hacen posible el milagro del GPS, por ejemplo, tienen todos relojes atómicos en sincronía. Con que uno de ellos se retrase o adelante 0.0001 segundo podemos despedirnos de ir a la dirección que queremos.

    30 Abril 2014 | 13:08

  4. Dice ser Fernando

    @José María

    El cesio siempre emite la misma cantidad de oscilaciones. Una vez que se define un número dado de oscilaciones como “un segundo” ese será el segundo exacto, el segundo patrón. Para “comparar”, como dices, se tienen varios relojes del mismo tiempo. Es raro que uno se desajuste, pero que se desajusten todos (como los que hay en el NIST) es muy improbable (de hecho, no se desajustan en varios millones de años).

    @Jesús

    Efectivamente, para el movimiento de los satélites GPS y Galileo es importante que los relojes en tierra y en los satélites estén sincronizados. Errores de fracciones de segundo pueden convertirse en errores de varios metros en la localización. Pero contar todo eso se hacía un poco demasiado largo, En este artículo: http://www.elconfidencial.com/tecnologia/2014-03-02/el-reloj-atomico-que-pone-en-hora-al-mundo_95371/ que se enlaza en el texto explican un poco lo que dices.

    Gracias por los comentarios.

    30 Abril 2014 | 14:00

  5. Dice ser Casandra

    01/04/2012

    El reloj que marca nuestras horas está en Cádiz

    Puede que el reloj más famoso de España sea el de la Puerta del Sol, pero el que realmente influye en nuestras vidas es el reloj atómico del Real Observatorio de la Armada de San Fernando (Cádiz), que determina la hora legal española u hora ROA. Cuando todavía nos estamos acostumbrando al cambio horario, hemos querido ver cómo funciona ese aparato de alta precisión en el que trabajan diez personas al mando de un capitán de navío.
    El reloj, en realidad, son varios relojes. La hora legal se obtiene a partir de la lectura de seis relojes de cesio (cinco de ellos, en Cádiz y un sexto, en el Centro de Meteorología de Tres Cantos) y un máser activo de hidrógeno. Mediante un algoritmo de media compensada se elabora, por un lado, la escala de tiempo universal coordinado (UTC) que es el de uso cotidiano y, por otro, el tiempo atómico internacional (TAI) una escala de tiempo continua y estable.
    El Real Observatorio es uno de los 50 laboratorios distribuidos por todo el mundo que participan en la generación de esa hora mundial. Como los átomos con los que operan estos relojes son elementos delicados, deben ser custodiados en condiciones de temperatura y humedad controladas, alejados de campos eléctricos o magnéticos. La hora que marca es perfecta, o casi. Poniéndonos en el peor de los casos, tiene una desviación de 0,000000030 segundos en sesenta días, o lo que es lo mismo: una variación de un segundo ¡cada 5.475.701 años!
    En busca del tiempo perfecto .Esta sencilla pero supercontrolada y aislada sala del Real Observatorio de San Fernando, el centro científico más antiguo de España, alberga los relojes atómicos.

    30 Abril 2014 | 15:16

  6. Dice ser daviod

    el comentario de Casandra termino siendo en la practica mas interesante que el de la pagina web, gracias Casandra ¡¡

    30 Abril 2014 | 15:48

  7. Dice ser Casandra

    Dice ser daviod

    el comentario de Casandra termino siendo en la practica mas interesante que el de la pagina web, gracias Casandra ¡¡

    El Real Instituto y Observatorio de la Armada (conocido abreviadamente como ROA) es un centro científico de investigación y difusión cultural perteneciente a la Armada Española y situado en la localidad de San Fernando (Cádiz).

    Misiones

    Observatorio astronómico y geofísico.

    Investigación en aquellos campos de la ciencia físico-matemática que se juzguen de interés para la Marina.

    Proporcionar formación científica superior al personal de la Armada.

    Calcular y difundir la hora legal oficial de España UTC (conocida como Hora ROA), para ello utiliza tres métodos:

    Transmisión de señales horarias en HF (onda corta), durante dos periodos de 25 minutos diarios, en 15006 y 4998 kHz, respectivamente, entre 10:00 y 11:00 UTC.

    Vía telefónica (Tfno.: +34 956599429), siguiendo un protocolo de difusión de información horaria ampliamente extendido entre los laboratorios de referencia nacionales de tiempo y frecuencia y los usuarios en Europa.

    Protocolo NTP, a través de dos servidores de Internet basados en San Fernando y un tercero basado en Madrid. Los ordenadores que dispongan de Windows XP o Windows Vista se pueden conectar a través de la función de Hora de Internet de las Propiedades de Fecha y Hora disponible en el reloj de abajo a la derecha de la pantalla de Windows. Se debe sustituir uno de los servidores horarios por defecto de Windows (hora Microsoft o el oficial de Estados Unidos en Boulder (Colorado)) por el servidor del ROA “hora.roa.es” La dirección de Internet es automáticamente reconocida por Windows como IP:150.214.94.5. Al ser servidores de stratum 1 basados España, el ajuste de hora con un ordenador doméstico español a los servidores del ROA es más preciso y estable que a los servidores estadounidenses que vienen por defecto en Windows.

    El ROA es también el depositario de las medidas métricas oficiales de España.

    30 Abril 2014 | 15:55

  8. Dice ser ANTONIO LARROSA

    Mi relog es super exacto y me costó 3 euros .

    Clica sobre mi nombre

    30 Abril 2014 | 16:59

  9. Dice ser Fernando

    @Casandra

    Gracias por tu comentario sobre el R. O. A., es muy interesante. España participa en muchos experimentos de determinación de pesos y medidas patrón, y estoy encantado de aprender que es en Cádiz y en Tres Cantos donde se toman las medidas para fijar la hora española (y, a su vez, la mundial).

    Cuando uno redacta el artículo trata de ser a la vez correcto, ameno y breve. Por esto último no indagué especialmente sobre los relojes atómicos en España, pero de nuevo, gracias por el aporte.

    Un saludo

    Fernando

    30 Abril 2014 | 20:06

  10. Dice ser Sergio

    No me puedo creer que sea el único que se ha dado cuenta de la falta del sodio (Na) en la enumeración de los primeros elementos de la tabla periodica.

    30 Abril 2014 | 23:25

  11. Dice ser Juan

    Sí, yo también me di cuenta…

    02 Mayo 2014 | 17:45

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