Rellotge atòmic
Col·laboració de Marina Guarch per al capítol Mesurar el temps
Els rellotges atòmics es fonamenten en la freqüència d’una vibració atòmica, és a dir, en l’oscil·lació entre dos estats d’energia d’uns àtoms concrets. El primer rellotge atòmic data del 1948 i estava destinat a l’Oficina Nacional de de Normalització dels Estats Units (NIST), aplicava una característica observada en l’estudi de les ressonàncies magnètiques moleculars i atòmiques, que van resultar ser extremadament regulars. En aquest cas es va utilitzar l’amoníac, però es va aconseguir una precisió poc superior a la dels rellotges de quars.
La NIST va triar la molècula d’amoníac, que tenia una freqüència natural de 23870 megahertz, la qual està inclosa en l’espectre de microones que fan servir els radars. Si tenim en compte les lleis de la mecànica quàntica, entendrem que els àtoms emeten i absorbissin energia en quantitats discretes. Per tal de dominar aquesta freqüència s’utilitzen dos pèndols formant un sistema de retroalimentació. El rellotge d’amoníac fa servir el principi del màser. El màser d’amoníac en dos nivells d’energia diferents i la freqüència constant amb la qual oscil·len les molècules entre un i altre nivell es fa servir per mesurar el temps amb una precisió altíssima.
Un dels membres del NIST, Jerrold Zacharias, va aconseguir convertir els rellotges atòmics en dispositius pràctics, amb la intenció de construir una font atòmica, que permetés estudiar les conseqüències de la gravetat sobre el temps. Va desenvolupat un rellotge atòmic prou petit per traslladar-se amb facilitat. El 1954, Zacharias va unir-se a la Nacional Company de Malden per tal de construir un rellotge atòmic comercial basat en el seu dispositiu portàtil. Dos anys més tard, la companyia va fabricar l’Atomichron, el primer rellotge atòmic comercial, del qual se’n van vendre cinquanta en pocs anys. Aquest rellotge ha estat fonamental en la història dels rellotges atòmics, fins al punt que actualment tots els que actuen en sistemes de GPS en procedeixen.
Els tres tipus de rellotges atòmics principals, el de cesi, el d’hidrogen i el de rubidi, s’han utilitzat a l’espai per a satèl·lits o en sistemes de control terrestre. Aquest tipus de rellotges solucionen el problema de tallar el pèndol a una longitud determinada i el de tallar un cristall de quars d’una mida exacta, ja que el mateix àtom actua com a ressonador natural i té una freqüència de ressonància que no es veu afectada per la fricció o pel canvi de temperatura. Ara el problema consisteix en quin sistema es pot fer servir per comptar els tics d’un ressonador d’aquesta mena. I com es pot aconseguir que l’electro d’un àtom salti entre les òrbites desitjades i amb la freqüència necessària.
L’any 1967, les investigacions realitzades sobre rellotges atòmics ja havien resultat tan exitoses que el concepte de segon es va tornar a definir a partir de les oscil·lacions d’un àtom de cesi. Una de les aplicacions més importants del rellotge atòmic és la d’instrument de mesura de la velocitat de rotació de la Terra o el GPS. La investigació continua desenvolupant-se per tal d’aconseguir patrons de temps encara més precisos.
El principal estàndard horari d’Espanya és el rellotge atòmic que es troba al NIST, conegut com NIST-7, que té un marge d’error inferior a un segon en tres milions d’anys. I el marge d’error del rellotge atòmic més precís del món en l’actualitat té un marge d’error d’un segon per cada 32.000 milions d’anys, la qual cosa evidencia el nivell de precisió al qual estan arribant els rellotges atòmics, que de ben segur anirà augmentant en els pròxims anys.
Col·laboració de Marina Guarch per al capítol Mesurar el temps