¿Qué es el segundo?

Todos sabemos que un día son 24 horas, que 1 hora son 60 minutos y que 1 minuto son 60 segundos, pero os habéis preguntado alguna vez ¿qué es el segundo?

Pues bien, un segundo se define como “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, a una temperatura de 0 K, que son -273ºC.”

Bueno, y esto… ¿qué significa? Para entenderlo, tenemos que hacer un recorrido por todas las definiciones a lo largo de la historia.

El tiempo de los astrónomos

Hasta bien entrado el siglo XX, el tiempo se ha medido basándose en el movimiento aparente del sol en el cielo.       Se define el cenit como la dirección vertical y el meridiano (celeste) como el semi-círculo que va desde el punto más al Norte del horizonte hasta el punto más al Sur del mismo pasando por el cenit (ver Figura 1). Sabiendo esto y que el día se define como el intervalo de tiempo entre  un cruze del Sol por el meridiano celeste y el siguiente, podemos pensar que es un buen método para definir el segundo.

Figura 1: cénit y meridiano.

El problema, es que no todos los días duran los mismo, varían entre 24h-22 s y 24h+30 s. Esto es debido a la inclinación del eje terrestre,  que hace que excepto en los solsticios el Sol se desplace ligeramente más despacio con respecto al meridiano celeste. Esto hace que en los solsticios, cuando el sol alcanza su mayor o menor altura aparente en el cielo,  el día tenga una duración máxima el 20 o el 21 de junio y  mínima el 21 o el 22 de diciembre de cada año. En los equinoccios, el Sol está situado en el plano del ecuador celeste, y el día se acorta ya que el día y la noche dura más o menos lo mismo ( 20 o 21 de marzo y el 22 o 23 de septiembre de cada año).

Esto lleva a la definición de tiempo solar medio, que es un artificio matemático como si existiera un “sol medio” que recorre el Ecuador de manera regular. El día solar medio dura 86.400 s (o sea, 24 horas). Ha sido la base de las medidas de tiempo hasta hace pocas décadas. El tiempo solar aparente (el indicado por el verdadero Sol) y el tiempo solar medio pueden llegar a diferir hasta en 16 minutos. Es por esto, que al llegar la década de los 40, los astrónomos llegaron a la conclusión de que había que abandonar la Tierra como patrón para la medida y definición del tiempo.

El tiempo atómico

Por otra parte, al principio del siglo XIX los físicos sabían que el espectro del Sol estaba atravesado por rayas oscuras, que ahora sabemos que son características de los elementos químicos que lo componen. Entonces , aunque nadie sabía nada acerca de los procesos de emisión y absorción de la luz por los átomos, se deducía que los átomos están dotados de frecuencias características de vibración que permiten emitir y absorber luz. Esto permitió a Kelvin sugerir que los átomos de Hidrógeno o de Sodio eran patrones naturales de vibración, en cantidad prácticamente ilimitada.

Todos los elementos tienen una emisión característica de ondas electromagnéticas dentro de todo el espectro electromagnético. Como sabemos, el modelo atómico de Bohr nos describe el átomo como un núcleo, formado por protones y neutrones, alrededor del cual los electrones orbitan en una especie de órbitas circulares. De estas órbitas, algunas están más cerca del núcleo que otras, por lo que podemos decir que la más cercana es la que tiene menor energía, el estado fundamental, y conforme nos alejamos del núcleo esta energía va aumentando. Cuando un electrón quiere pasar a un nivel de energía más alto, debe absorber energía en forma de fotones (las partículas de la luz). Pero como en un estado excitado el electrón está en una posición menos estable, emite un fotón para caer a un nivel más estable. Es decir, para cada transición entre niveles de energía o órbitas, un electrón emite y absorbe energía. Si nos fijamos en la energía total emitida por un átomo, obtenemos su onda electromagnética emitida. Este modelo explica el espectro de emisión del hidrógeno que es bastante sencillo.

Así que como los átomos de hidrógeno son idénticos y abundantes en el universo, siguiendo la sugerencia de Kelvin, se puede pensar en usar este tipo de transiciones como patrón de frecuencia. Esto es lo que llamamos oscilador, y nos proporciona una vibración repetitiva y periódica. Un reloj consta  de dos partes: un oscilador ; y un contador que vaya registrando el número de oscilaciones.  Es por esto, que si la frecuencia emitida de algunas de las transiciones entre órbitas es muy alta, no puede existir un contador. Es el caso de la trasición H-afa, que emite una frcuencia del orden de 10 elevado a 14 Hz. No se pueden contar los ciclos de un oscilador que hace tic-tac tantas veces por segundo. Por consiguiente, hace falta encontrar transiciones atómicas que emitan en frecuencias más manejables, o sea, más bajas.

Entonces se planteó el amoniaco, que tiene una frecuencia menor y más manejable, y se construyó el primer reloj molecular en 1948. Pero no se pudo conseguir que funcionase más de unos días seguidos. Su limitación principal fue que la gama de frecuencias de absorción era demasiado grande. 

Así que se continuó trabajando con el H, y se descubrió que tenía una estructura hiperfina, que es una pequeña perturbación de los niveles de energía de los átomos o moléculas. Para el hidrógeno, esta perturbación radica en la separación del estado fundamental en dos niveles, y la diferencia de energía entre ellos produce un fotón con una  frecuencia de 1420MHz, mucho más manejable que las que habíamos comentado antes. Aunque el H es el único elemento con un solo electrón, existen otros elementos que se le parecen mucho en ese sentido, los metales alcalinos (sí, una de esas columna de la tabla periódica que teníamos que aprendernos y pensábamos que no servían para nada). Uno de estos metales, es el Cesio, que fue descubierto en 1860 por Bunsen y Kirchhoff.

Más tarde, en 1944 Isidor Rabi recibió el Premio Nobel de física por sus trabajos sobre las propiedades magnéticas de los núcleos, y un año después presentó su pionera e inspiradora propuesta de construir un reloj atómico basado en el Cesio 133. Pero, ¿por qué el cesio y no el H, u otros metales alcalinos?

Bueno pues se ve que el 133Cs tiene la transición hiperfina de más alta frecuencia de todos los alcalinos, cosa que permite unas medidas de mayor precisión. Además,  todos los átomos de 133Cs emiten o absorben a la misma frecuencia en su transición hiperfina. Investigando un poco más sobre esto, al final, se construyó una máquina que siguió un método ideado por Norman Ramsey en 1949, por el que le concedieron el premio Nobel 40 años más tarde, y que no era la misma idea que proponía Rabi.

 

Ahora ya estamos en mejores condiciones para, sino entender, intuir qué significa un segundo. Aunque… ¿y si alguien consigue inventar un reloj nuclear en vez de atómico?¿ volvería a cambiar la definición?

 

Si quieres saber más:

Historia de la medición del tiempo: http://www.uco.es/geometria/documentos/MedidaTiempoSenovilla.pdf 

 

 

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