La exactitud del tiempo

La medición del tiempo

Históricamente, los seres humanos medir el tiempo que pasa. La rotación de la Tierra le permitió dividir el tiempo en días entre dos amaneceres o atardeceres.
Hoy el movimiento de la Tierra son constantemente monitoreados usando técnicas más y más avanzadas.
Con los relojes de sol, el día fue dividido en horas, entonces los relojes se dividieron en horas minutos y segundos. Pero no es suficiente para evitar las derivas del tiempo, los científicos han encontrado mecanismos más y más precisos para medir el tiempo. La vibración del cristal de cuarzo ha mejorado la precisión del tiempo al milésima de segunda pero todavía no fue suficientemente preciso porque la investigación tecnológica demanda más y más precisión. Así que usamos la frecuencia natural de ciertos átomos y, en particular, el isótopo de átomo de cesio-133 cuyo las oscilaciones emiten pulsos de luz. La frecuencia de oscilación del átomo de cesio es muy alta, que es lo que los científicos que buscan una alta frecuencia permite la medición del tiempo con una alta precisión. Este es el átomo de cesio que actualmente garantiza la exactitud del tiempo en nuestro planeta. Si nos lo bombardean de energía, utilizando un láser, vibra imitando impulsos de luz a una frecuencia de 9.192.631.770 Hz. Con esta frecuencia de 9.192.631.770 pulsos de luz por segundo, la precisión es tal que el reloj pierde o gana una segunda, que cada 100 millones de años. Hoy la definición de la segunda, realizada por el Sistema Internacional de Unidades es la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.
Un reloj que usa la continuidad y la inmutabilidad de la frecuencia de la radiación electromagnética emitida por un electrón durante la transición de un nivel de energía a otro se denomina "reloj atómico".
Es con estos relojes atómicos que se mantienen la precisión del Tiempo Internacional (TAI) y se distribuye las escalas de tiempo de referencia (UTC).

N.B.: El Cesio es un metal alcalino, su nombre "caesius" significa "cielo azul" en latín. Su espectro ofrece dos líneas características de color azul claro.
Fue descubierto en 1861 por Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff por espectroscopia de la lepidolita (mineral perteneciente a los silicatos).

Imagen: La velocidad de rotación de la Tierra en el ecuador es de 1 674,364 km/h. El número de rotaciones de la Tierra sobre sí misma es de aproximadamente 365,2425 por año, 365,2425 día sideral (rotación con respecto al sistema de referencia celeste). Sin embargo, todos los movimientos de la Tierra son irregulares y varían gradualmente con el tiempo. Luna con efectos de marea ralentiza la rotación de la Tierra. Longitud del día en la Tierra poco a poco aumentando en alrededor de 2 milisegundos por siglo. Así, hay 300 millones de años, el año duraba 400 días, con 22 horas. Cuando la Tierra se formó, hay 4,5 mil millones de años, los años duraron 1434 días y las días duraron 6,1 horas.

Relojes cada vez más precisos

Gnómones, relojes de agua, relojes de arena se utilizaron durante siglos para medir el tiempo. Después de las campanas que operan religiosa cada hora, vienen los relojes de péndulos. Se trata de Christiaan Huygens (1629 - 1695) en 1657 que diseña el primer reloj de péndulo que tiene una frecuencia de oscilación relativamente constante. Este mecanismo, ligeramente mejorado con el tiempo, se usará durante casi 300 años, hasta una precisión del orden de la segunda.
Los relojes eléctricos, los relojes electrónicos y los relojes de cuarzo reemplazarán gradualmente los péndulos.
En el siglo XX, las propiedades de la materia vendrán significativamente mejorar la precisión de la medición del tiempo.
Hoy son los relojes atómicos que obtienen la más alta precisión (10^-10 segundos con el Cs133). Pero ya a principios del siglo XXI, la luz reemplaza la materia en la medición de tiempo y la precisión todavía aumenta (10^-12 segundos) con la óptica.

Tabla : medición de la precisión de tiempo, en segundos, en un día, a través de los siglos.

Reloj atómico y fuentes atómicas

Un reloj atómico es un oscilador de cuarzo bloqueado a la frecuencia natural de la transición entre dos niveles de energía de un átomo.
La primera fuente atómica funcionó en 1989 con átomos de sodio. Hoy es el isótopo estable de cesio 133Cs, que se utiliza en los relojes atómicos. Este es el átomo de referencia en la definición de la segunda.
Todo sucede en una cámara calentada que contiene cesio es en este lugar que vamos a crear una flujo de átomos. Después de algunas manipulaciones a través de un campo magnético, el flujo de átomos pasa a través de una cavidad resonante llamada de Ramsey, del físico Norman Foster Ramsey que la propuso por primera vez en 1950. Después de la preparación de los átomos en uno de dos niveles, excitado o fundamental, los átomos transitan más o menos de un nivel al otro.
La frecuencia del oscilador macroscópico se ajusta continuamente de modo que sigue esclavizado en torno al máximo de la transición atómica, es la respuesta del átomo de cesio a esta excitación.
La frecuencia es entonces 9 192 631 770 Hz.
Este valor exacto define la segunda.

La medición del tiempo esta asegurada entonces por una división de las oscilaciones del oscilador de cristal junto con un circuito electrónico, que mostrará el valor, o controlará servicios que requiere una frecuencia de funcionamiento estable y alta. 

N.B.: Norman Foster Ramsey es un físico americano, nacido el 27 de agosto 1915 en Washington, y murió el 4 de noviembre de 2011. Ha ganado la mitad del Premio Nobel de Física en 1989, incluido por el trabajo en los relojes atómicos.

Imagen: La fuente de reloj atómico de los átomos de cesio. El reloj de 200 kg y 1,5 m de altura, es el patrón primario de tiempo y de frecuencia en los Estados Unidos, con una incertidumbre total de 5.10^-16 (2005). Con la ayuda de este reloj, la medición del tiempo se realiza con una precisión increíble gracias a este átomo de metal raro, el cesio. Crédito : NIST (National Institute of Standards and Technology).