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. 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.
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).