Segundos atómicos

Todos sabemos lo que es y cuánto dura un segundo ¿verdad? Es la sexagésima parte de la sexagésima parte de la vigesimocuarta parte de un día, ¿cierto? Técnicamente así es; es la división última en un reloj que divide el día en 24 horas, éstas en 60 minutos y estos a su vez en sesenta segundos. Pero, ¿cuánto dura un segundo? En la época antigua, si bien el concepto del segundo (o segundo minuto, minuto pequeño) ya existía, este era meramente un concepto matemático, una subdivisión del año solar, y no contábamos con una manera de medirlo uniformemente. Esto cambió con la popularización del Calendario Gregoriano gracias al colonialismo británico que lo instauró en todas sus colonias en el siglo XVI.

El primer reloj con una tercera manecilla para indicar los segundos es de origen desconocido y proviene de la década de los 1560, y ya en en 1581 el gran astrónomo y erudito danés Tycho Brahe modifica los relojes de su observatorio para que contaran también los segundos. En 1644, el matemático francés Marin Mersenne calculó que un péndulo de 99.4 cm de largo tardaría exactamente 2 segundos en oscilar completamente, lo que permitió calcular la duración de un segundo de manera más constante. Estos niveles de exactitud fueron suficientes durante mucho tiempo, pero todo terminó con el advenimiento de la Revolución Industrial y sus crecientes requerimientos de exactitud para los procesos fabriles, de manufactura, transporte y las nacientes telecomunicaciones.

Fueron estos factores los que obligaron a las naciones a buscar un consenso acerca de cuál sería la manera adecuada de medir el tiempo; para ser más exactos, la duración de un segundo. Ya en 1950 el mundo contaba con sistemas globales que nos exigían que cada segundo fuera contado con la mayor exactitud posible, y pocas cosas hay que sean tan precisas como la escala atómica. Para 1955 los investigadores trabajaban en distintos tiempos de relojes atómicos, que utilizan las leyes de la física como una nueva manera de medir el tiempo. 

Un átomo está compuesto de un núcleo de protones y neutrones con carga positiva que es orbitado por electrones eléctricamente negativos en una frecuencia definida e inmutable, pero si uno de esos átomos se expone a una corriente electromagnética adecuada, se puede modificar ligeramente la orientación de uno de los electrones en la órbita exterior de dicho átomo. Hecho de la manera correcta el electrón adquiere un giro (o spin) que simula a la perfección el movimiento de un péndulo; a partir de ahí es cuestión de contar la oscilación del electrón para medir un segundo con una perfección inimaginable. Por supuesto, esta perfección sólo es posible gracias a que el electrón gira más de 9,000,000,000 de veces por segundo, lo que deja muy poco margen para el error.

A diferencia de un péndulo, que pierde impulso con cada oscilación, un átomo puede continuar en movimiento por siglos de manera ininterrumpida, y eso nos ha proporcionado los relojes más exactos en la historia de la humanidad; NIST-F1 por ejemplo, se estima que gana o pierde un segundo cada 20 millones de años. Una vez establecidas estas bases, sólo nos faltaba estandarizar el isótopo del elemento a utilizar y la onda electromagnética utilizada para alterar el spin del electrón. Si dos científicos utilizan el mismo reloj con el mismo isótopo y la misma radiación EM, siempre recibirán la misma medición en cualquier lugar del mundo.

Con ese fin, en 1967 el Comité Internacional de Pesas y Medidas (organismo fundado en Francia en 1875) se reunió en su XIII Asamblea General. De entre los 118 elementos de la tabla periódica se eligió, en base a criterios como la vida media del elemento, la frecuencia de la oscilación atómica así cómo la facilidad de medir el spin cuántico del electrón, para asegurar que las mediciones resultantes fueran inmutables por el mayor tiempo posible. Al finalizar la Conferencia el átomo ganador resultó ser el isótopo de Cesio 133 (133Cs) que ya era un elemento popular en la investigación de los relojes atómicos. Sólo faltaba definir cuántas oscilaciones del electrón compondrían un segundo. Para eso se utilizó la medición astronómica más exacta que existía de la duración de un año solar, dividiendo éste en días y de ahí en adelante. Actualmente la definición internacionalmente aceptada de un segundo, establecida por la Comisión Internacional de Pesos y Medidas es “...la duración de 9,192,631,770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs), a una temperatura de 0 K”.