TIEMPO ATÓMICO - UNA (MUY BREVE) INTRODUCCIÓN A LOS RELOJES ATÓMICOS
- Miguel Lino
- 20 sept
- 14 Min. de lectura
Actualizado: 21 sept
Los relojes atómicos son los instrumentos de cronometraje más precisos jamás creados por la humanidad. Se basan en la física cuántica de los átomos para definir el segundo con una precisión capaz de soportar el GPS, sincronizar redes digitales, garantizar la seguridad de los sistemas globales y allanar el camino para nuevos descubrimientos científicos. Desde el cesio-133 hasta los relojes ópticos en desarrollo, los relojes atómicos representan la unión entre la teoría y la tecnología, entre la estabilidad de la materia y la necesidad universal de medir el tiempo con absoluta precisión.
Vídeo completo de la conferencia
R
Resumen de contenidos
El siguiente texto es un resumen del CÍRCULO dedicado al Tiempo Atómico , celebrado el 18 de septiembre en el Museo Medeiros e Almeida de Lisboa. Durante esta sesión, Joana Ferreira presentó los agradecimientos en nombre del Museo Medeiros e Almeida, Nuno Margalha en nombre del IPR (Instituto Portugués de Relojería), y Miguel Lino presentó, en aproximadamente una hora y media, una explicación posible y accesible del fascinante universo del Tiempo Atómico, el tiempo de nuestros días.
Parte 1 — ¿Qué es un reloj atómico? ¿Qué es un átomo?
1) El concepto de tiempo
Antes de definir el reloj atómico, conviene abordar el concepto mismo de tiempo. El tiempo puede entenderse como el período durante el cual un evento, proceso o condición existe o evoluciona; como la progresión continua y aparentemente irreversible de eventos; como lo que se lee en un reloj; o incluso como una construcción social, una ilusión. Estas perspectivas demuestran que el tiempo es simultáneamente una realidad física y una convención humana. Los instrumentos de medición nos permiten unir estas dos dimensiones, y el reloj atómico es el más sofisticado de ellos.
2) ¿Qué es un reloj atómico?
Un reloj atómico es un instrumento que utiliza átomos para medir el tiempo. Su principio de funcionamiento no se basa en un péndulo, un volante ni un cristal de cuarzo, sino en una transición interna dentro del átomo, capaz de proporcionar una frecuencia de referencia. Entre los estándares primarios actuales se encuentra el Microchip 5071A, un reloj de cesio que ilustra esta categoría de instrumentos.
3) El segundo en el Sistema Internacional
Durante siglos, el segundo se definió como una fracción del día solar medio, equivalente a 1/86.400 de una rotación terrestre. Posteriormente, en 1960, se definió como 1/31.556.925,9747 del año trópico 1900. Estas definiciones eran astronómicas y presentaban limitaciones, ya que la rotación terrestre no es completamente regular.
En 1967, la definición cambió radicalmente: el segundo se convirtió en la duración de 9.192.631.770 períodos de radiación correspondientes a la transición hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio-133. En 2018, se añadió la nota que indicaba que esta transición debía medirse en el estado fundamental no perturbado del átomo. Este salto eliminó la unidad de tiempo del ámbito de la astronomía y la situó en el dominio de la física atómica, garantizando una mayor estabilidad y universalidad.
La cronología histórica muestra esta evolución: en 1657, el reloj de péndulo permitió medir los segundos de forma consistente; alrededor de 1874, los sistemas ya permitían lecturas más precisas; en 1927, surgieron los relojes de cuarzo como una alternativa estable; y, finalmente, en 1967, el estándar internacional para el segundo se fijó en el cesio-133. También es importante recordar que el concepto del segundo, como subdivisión del tiempo, tiene su origen en el sistema sexagesimal de la antigüedad, una división puramente matemática utilizada para rastrear los cuerpos celestes.
4) ¿Qué define un estándar?
Para que una definición sea aceptada como estándar, debe cumplir cuatro requisitos esenciales: ser universal, es decir, independiente del tiempo y el lugar; ser reproducible, replicable en cualquier laboratorio con el equipo adecuado; ser invariable, es decir, inalterable con el tiempo; y ser precisa, ofreciendo la máxima exactitud posible. Además, un estándar debe ser el resultado de un acuerdo internacional para su amplia aceptación. El átomo, al presentar transiciones bien definidas y estables, cumple estas condiciones.
5) El lugar del segundo en el SI
El segundo es una de las siete unidades fundamentales del Sistema Internacional de Unidades. Las otras son: candela (intensidad luminosa), kelvin (temperatura), amperio (corriente eléctrica), metro (longitud), kilogramo (masa) y mol (cantidad de sustancia). Cada una de estas unidades tiene una definición asociada a una constante fundamental o un fenómeno físico invariable. El segundo, definido por la frecuencia de la transición hiperfina del cesio-133, tiene el mismo nivel de precisión que estas otras magnitudes.
6) ¿Qué es un átomo?
El átomo es la unidad elemental que mantiene las propiedades de un elemento químico. Consiste en un núcleo formado por protones y neutrones, alrededor del cual orbitan los electrones. Históricamente, el modelo de Bohr de 1920 introdujo la idea de los niveles de energía discretos, en los que los electrones podían saltar de una órbita a otra, liberando o absorbiendo energía proporcional a la frecuencia de un fotón. En 1925, el modelo de Schrödinger describió a los electrones no como partículas en órbitas fijas, sino como distribuciones de probabilidad, conocidas como orbitales.
Las transiciones electrónicas son fenómenos cuantificados: cada vez que un electrón cambia de nivel, se produce una emisión o absorción de energía proporcional a una frecuencia definida, según la relación de Planck-Einstein. Esto significa que cada átomo posee una especie de firma única, una "nota" de frecuencia que puede servir de referencia.
La transición hiperfina
Entre las posibles transiciones, la transición hiperfina es la más estable. Resulta de la interacción entre el momento magnético del núcleo y el de los electrones. Esta transición es mucho menos sensible a perturbaciones externas como campos magnéticos, campos eléctricos, presión o temperatura. Es precisamente la transición hiperfina del cesio-133 la que define esta última, debido a su estabilidad y regularidad.
7) Criterios para que un átomo sea utilizado como referencia
Para que un átomo o isótopo sea adoptado como referencia temporal, debe cumplir ciertas condiciones: debe tener niveles de energía estables y definidos; debe exhibir una transición específica y medible; debe ser insensible a influencias externas como la temperatura y los campos magnéticos; debe tener una transición de alta frecuencia, lo que aumenta la precisión posible; y debe ser estable a largo plazo.
El cesio-133 cumple estos requisitos. Su transición hiperfina es de alta frecuencia, extremadamente estable y fácilmente medible. El valor exacto de 9.192.631.770 Hz corresponde a la duración de un segundo.
8) ¿Por qué el cesio-133?
La frecuencia de las transiciones electrónicas varía de un átomo a otro, ya que depende del número de protones en el núcleo y de las interacciones entre electrones. Entre todos ellos, el cesio-133 destaca por cumplir las condiciones ideales para servir como estándar de tiempo: su transición hiperfina presenta una frecuencia alta, estable y fácilmente medible , lo que permite niveles de precisión consistentes y universalmente reproducibles. Además, es un isótopo estable, no radiactivo y disponible en cantidades adecuadas , características que hacen viable su uso a escala internacional.
Desde una perspectiva química, el cesio es un metal alcalino altamente reactivo en contacto con el aire , lo que requiere una manipulación y un almacenamiento cuidadosos. Sin embargo, esta reactividad no afecta su función como referencia metrológica.
Es importante destacar que el cesio-133 no es la única especie atómica utilizada en relojes de referencia. Los máseres de hidrógeno también desempeñan un papel esencial, en particular como patrones de estabilidad a corto plazo, complementando al cesio en el establecimiento de escalas de tiempo internacionales.
Otros elementos se aplican en diferentes arquitecturas. En los relojes de microondas , el rubidio se utiliza a menudo como una alternativa práctica en sistemas portátiles y comerciales. Los relojes ópticos , actualmente en desarrollo y perfeccionamiento, utilizan átomos como el estroncio , el iterbio y el aluminio , cuyas transiciones ópticas, a una frecuencia mucho mayor que las del cesio, ofrecen el potencial de superar significativamente la precisión actual.
A pesar de estos avances y del creciente interés en los relojes ópticos, el cesio-133 sigue siendo el estándar internacional oficial para definir el segundo , reconocido por el Sistema Internacional de Unidades y respaldado por décadas de uso en metrología del tiempo y la frecuencia.
9) Resumen de la Parte 1
Un reloj atómico es un instrumento que utiliza átomos para medir el tiempo, utilizando como referencia la transición electrónica hiperfina. Esta referencia se traduce en una frecuencia específica y extremadamente estable. Los relojes atómicos de cesio-133 definen la unidad fundamental de tiempo: el segundo.
El átomo, a su vez, es la unidad elemental de la materia que conserva las propiedades de un elemento. Los electrones orbitan el núcleo en niveles discretos, y sus transiciones entre niveles liberan o absorben energía proporcional a frecuencias precisas. Esta propiedad permite que los átomos se utilicen como patrones universales para la medición del tiempo.
Parte 2 — Precisión y usos de los relojes atómicos
1) La búsqueda de la precisión
La historia de la medición del tiempo puede interpretarse como una sucesión de esfuerzos por reducir el error. La humanidad siempre ha buscado instrumentos que le permitieran organizar la vida social, la agricultura, la navegación y la ciencia con mayor precisión. Desde la observación solar hasta los láseres aplicados a los relojes ópticos, la cronología revela una progresión hacia la precisión.
El reloj de sol egipcio, de alrededor del año 1176 a. C., permitía regular las actividades diarias y religiosas, pero presentaba errores de hora. El reloj mecánico medieval, surgido alrededor del año 1300 en Europa, redujo este margen a unos 15 minutos diarios, útil principalmente para fines religiosos y científicos. En 1657, con el reloj de péndulo de Christiaan Huygens, la precisión alcanzó aproximadamente un minuto diario, lo que supuso un avance significativo.
El cronómetro H4, creado por John Harrison en 1759, alcanzó una precisión de décimas de segundo por día y revolucionó la navegación marítima. En los siglos XIX y principios del XX, los relojeros perfeccionaron los mecanismos, pero en 1927 surgió una nueva solución: el reloj de cuarzo, desarrollado por Marrison y Horton, que redujo el error a microsegundos por día, lo que permitió su aplicación en la industria, el transporte y las telecomunicaciones.
El punto de inflexión más importante se produjo en 1948, cuando Isidor Rabi y Harold Lyons fueron pioneros en el reloj atómico. Con este, la precisión aumentó a unas pocas décimas de segundo por año, refinándose rápidamente a valores como 1 segundo en millones, y hoy incluso en miles de millones, de años. En 1955, Louis Essen y Jack Parry construyeron el primer reloj atómico de haz de cesio, sentando definitivamente las bases para la redefinición del segundo.
2) Tipos de relojes atómicos
Los relojes atómicos no son un grupo homogéneo: existen diferentes tecnologías que operan en distintos rangos de frecuencia y energía.
La categoría de reloj de microondas incluye:
Beam (haz atómico de cesio) , la tecnología clásica.
Fuente (fuente atómica) , en la que los átomos enfriados son lanzados verticalmente y pasan a través de la cavidad de microondas en caída libre.
Máser de hidrógeno , que utiliza microondas generadas en resonancia por átomos de hidrógeno.
Celda de vapor , más compacta y aplicable a dispositivos de menor escala.
En la categoría de relojes ópticos se encuentran:
Redes ópticas (relojes de red) , en las que los átomos quedan atrapados en una red de luz láser.
Iones atrapados , donde uno o unos pocos iones están confinados en trampas electromagnéticas.
Relojes nucleares o de estado sólido , todavía experimentales, que exploran las transiciones energéticas a escalas aún mayores.
Los relojes de microondas utilizan frecuencias del orden de los gigahercios, mientras que los relojes ópticos operan a frecuencias mucho más altas, llegando a los terahercios o petahercios. Por lo tanto, los relojes ópticos alcanzan una precisión aún mayor, alcanzando tasas de error de tan solo un segundo en cientos de miles de millones de años.
3) ¿Qué limita la precisión?
Es intuitivo pensar que cuanto mayor sea la frecuencia de referencia, mayor será la precisión del reloj. Sin embargo, este razonamiento no siempre es sencillo. Otros factores influyen en su funcionamiento:
En los relojes mecánicos , las perturbaciones incluyen la temperatura, la gravedad, la fricción, los impactos y la calidad de construcción.
En los relojes de cuarzo influyen la temperatura, el envejecimiento, la capacitancia y la energía disponible.
En los relojes atómicos se producen efectos relativistas, campos magnéticos y envejecimiento de los componentes electrónicos.
Existen errores sistemáticos, que pueden predecirse y corregirse, y errores aleatorios, que requieren modelos probabilísticos. En cualquier caso, los relojes atómicos superan con creces las alternativas, pero aún no son perfectos.
4) ¿Para qué sirven los relojes atómicos?
La utilidad de los relojes atómicos es enorme y crítica para el funcionamiento de la sociedad contemporánea.
Normalización
Los relojes atómicos definen la unidad de tiempo en el Sistema Internacional. El segundo se establece mediante la transición hiperfina del Cs-133, y esta estandarización garantiza la coherencia global. Sin un estándar único y universal, cada país o sistema podría variar con el tiempo, creando discrepancias inaceptables en la ciencia, la industria y la vida cotidiana.
Navegación
Los sistemas de navegación por satélite, como el GPS y otros sistemas GNSS, dependen completamente de relojes atómicos instalados en satélites. La diferencia horaria entre la señal emitida por el satélite y la recibida por el dispositivo (un teléfono celular, por ejemplo) permite calcular la posición del usuario. Se requieren al menos cuatro satélites para determinar con precisión la latitud, la longitud y la altitud. Una medición precisa del tiempo se traduce directamente en una precisión de ubicación.
Sincronización global
La sociedad digital exige que la información circule sincrónicamente. Protocolos como NTP (Protocolo de Tiempo de Red) permiten que ordenadores, servidores y redes compartan una hora de referencia común, basada en UTC. Esto es esencial para las transacciones financieras, la seguridad digital, los medios de comunicación, las telecomunicaciones, las reuniones en línea y la transmisión de contenido. Incluso la investigación científica depende de esta sincronización para procesar datos de forma coherente.
Seguridad y defensa
Los relojes atómicos también son estratégicos. Permiten a los países mantener estándares internos independientes de las redes internacionales, garantizando así la resiliencia en caso de ataques o fallos. Son indispensables para coordinar operaciones militares, la guerra electrónica y el cifrado de las comunicaciones. Contribuyen a la seguridad de las bases de datos, previniendo fallos catastróficos, y permiten la sincronización de las redes eléctricas, previniendo apagones. Su uso en unidades de medición de fase garantiza la estabilidad de las redes eléctricas modernas.
Industria y ciencia
En la industria, garantizan procesos de fabricación y automatización de alta precisión. En la ciencia, permiten el estudio de fenómenos extremadamente rápidos o sutiles. Facilitan la investigación en física fundamental, los experimentos con relatividad, las observaciones radioastronómicas y las mediciones asociadas con la detección de ondas gravitacionales. En resumen, son herramientas indispensables para comprender mejor el universo y explorar nuevas tecnologías.
5) UTC y la globalización del tiempo
Para garantizar que el mundo mantenga un tiempo coordinado, se creó un marco internacional. El Tiempo Atómico Internacional (TAI) es el promedio ponderado de aproximadamente 450 relojes atómicos, distribuidos en 85 laboratorios en 80 países. Mensualmente, los datos se recopilan y procesan para proporcionar una referencia universal.
El Tiempo Universal Coordinado (UTC) se deriva del TAI, pero se ajusta a la rotación de la Tierra utilizando la escala UT1. Cuando es necesario, se añaden o restan segundos intercalares para garantizar que el UTC no se desvíe demasiado de la hora solar. El UTC fue reconocido oficialmente en 1975 por la Conferencia General de Pesas y Medidas y actualmente es el estándar global para telecomunicaciones, transporte, redes digitales y prácticamente todas las áreas que dependen de la sincronización.
Actualmente, la diferencia entre UT1 y TAI es de tan solo unas pocas decenas de segundos, lo que explica el mecanismo del segundo intercalar. El UTC es, por lo tanto, la expresión más concreta de la colaboración internacional en materia de tiempo.
6) Resumen de la Parte 2
Los relojes atómicos son los instrumentos de cronometraje más precisos disponibles en la actualidad. Se dividen en dos grupos principales: microondas y ópticos, con diversas tecnologías adaptadas a diferentes propósitos. Su precisión varía desde 1 segundo en miles de años hasta 1 segundo en cientos de miles de millones de años.
Su papel va mucho más allá de la teoría: garantizan la estandarización de unidades, permiten la navegación global, aseguran la sincronización de redes digitales y de telecomunicaciones, fortalecen la seguridad nacional e internacional y hacen posibles avances científicos e industriales.
También son el resultado de una colaboración internacional ejemplar, en la que participan 80 países y cientos de relojes que, en conjunto, sustentan el Tiempo Atómico Internacional y el Tiempo Universal Coordinado. Sin los relojes atómicos, la vida moderna tal como la conocemos sería imposible.
Parte 3 — Cómo funciona un reloj atómico
1) El principio fundamental
Un reloj atómico no genera tiempo a partir del átomo: lo utiliza como diapasón de referencia para sintonizar un oscilador electrónico, generalmente de cuarzo. El oscilador proporciona una señal eléctrica (p. ej., 10 MHz), que puede convertirse a 1 Hz, equivalente a un segundo. La función del átomo es mantener el oscilador constantemente corregido para que nunca se desvíe.
La arquitectura clásica que mejor ilustra este proceso es el reloj de haz de cesio . El modelo puede parecer complejo, pero cada paso tiene un propósito preciso.
2) Los elementos principales
El átomo
La base es el isótopo estable y no radiactivo cesio-133 , obtenido del mineral polucita. Este átomo contiene la transición hiperfina utilizada como estándar.
El horno atómico
El primer paso es transformar el cesio sólido en un haz de átomos. Esto se realiza en un horno atómico , que calienta el material hasta su vaporización. El haz se colima, es decir, se organiza en trayectorias paralelas, a través de microcanales. El horno opera en un régimen de flujo molecular , lo que permite que los átomos escapen sin choques excesivos.
El vacío
El haz entra en una cámara de ultra alto vacío (UHV) , por debajo de 10⁻⁹ mbar. Este entorno evita las colisiones entre los átomos de cesio y las moléculas de aire, preservando así la coherencia del haz.
Filtro magnético A
Un imán, similar al dispositivo Stern-Gerlach, selecciona únicamente los átomos en el estado fundamental correcto . Es un proceso de filtrado cuántico: solo los átomos deseados avanzan.
Cavidad de radiofrecuencia
El corazón del sistema es la cavidad de radiofrecuencia de Ramsey . Aquí, las ondas de radiofrecuencia interactúan con los átomos. La señal de RF proviene de un oscilador de cuarzo controlado por voltaje ( VCXO ) y pasa por un sintetizador y un mezclador de frecuencia. La cavidad aplica energía a los átomos, induciendo la transición hiperfina si la frecuencia se ajusta correctamente. El objetivo es alinear la señal del oscilador con la frecuencia natural de la transición: 9,192 631 770 GHz.
Sintetizador y mezclador de frecuencias
El sintetizador convierte la frecuencia base (p. ej., 10 MHz del oscilador) a valores mucho más altos, en el rango de los gigahercios. El mezclador permite ajustar con precisión la señal hasta que coincida exactamente con la frecuencia de la transición hiperfina de cesio.
Filtro magnético B
Tras la cavidad, un segundo filtro magnético selecciona los átomos que han pasado al nivel superior de la transición. Al igual que el filtro inicial, se trata de un mecanismo de selección de estado.
Detección
A continuación , se realiza la detección mediante ionización. Los átomos se ionizan al colisionar con un alambre caliente ( alambre caliente ), y los iones generados se recogen mediante un colector de iones (copa de Faraday). El número de átomos detectados se traduce en una señal eléctrica que indica la eficiencia de la transición.
Amplificación y comparación
La señal de salida se amplifica y se compara con la señal del mezclador de frecuencia. La diferencia entre ambas se expresa como diferencia de voltaje. Si no hay diferencia (ΔV = 0), significa que el oscilador de cuarzo está perfectamente sintonizado con la frecuencia de transición de cesio. Si hay una desviación, el voltaje corrige automáticamente el VCXO.
Salida de frecuencia
El oscilador corregido proporciona una salida estable de 10 MHz , que puede convertirse mediante un divisor de frecuencia a 1 Hz , o un pulso por segundo. Esta es la señal utilizable que alimenta sistemas electrónicos, redes de telecomunicaciones, satélites y toda infraestructura que requiere una sincronización precisa.
3) Ejemplos históricos
El primer reloj atómico de cesio fue construido en 1955 por Louis Essen y Jack Parry . Unos años más tarde, en 1959, apareció en Estados Unidos el NBS-1. En 1972, Hewlett-Packard lanzó el modelo 5061A , un estándar comercial que se convirtió en un icono y se utilizó ampliamente en laboratorios y telecomunicaciones.
Con el paso de las décadas, los relojes de haz han sido reemplazados por fuentes atómicas, iones atrapados y, más recientemente, relojes ópticos. Sin embargo, el haz de cesio sigue siendo la base del estándar internacional para el segundo.
4) Variaciones modernas y miniaturización
Los relojes de haz tradicionales consumen entre 20 y 40 W y alcanzan una precisión de aproximadamente 1 segundo cada 3,17 millones de años. Sin embargo, la miniaturización ha abierto nuevas posibilidades: los llamados relojes atómicos a escala de chip (CSAC) , basados en técnicas como el atrapamiento coherente de poblaciones (CPT) , son de menor tamaño y consumen tan solo 100 mW. Aunque menos precisos (del orden de 1 segundo cada 3,17 millones de años), son suficientemente estables para aplicaciones móviles, portátiles y militares.
La CPT se basa en un curioso fenómeno: cuando los átomos alcanzan un estado energizado específico, dejan de absorber energía y se vuelven transparentes a la luz láser. Esto permite medir la frecuencia de forma más compacta y eficiente.
5) Resumen de la Parte 3
Un reloj atómico funciona con una arquitectura que combina la física cuántica y la ingeniería electrónica. El átomo de cesio proporciona la referencia estable e inmutable; el oscilador de cuarzo, sintonizado continuamente con esta referencia, genera la señal utilizable.
El proceso implica la preparación del átomo (horno, vacío, filtros magnéticos), la excitación por radiofrecuencia, la detección del estado, la comparación de señales y la corrección automática del oscilador. El resultado es una frecuencia de salida precisa, convertida a segundos.
El átomo es el diapasón y el oscilador es el instrumento : juntos producen la cadencia exacta en la que se basa la medición moderna del tiempo.
Comentarios