Reloj atómico, un aparato de curioso funcionamiento.

El reloj atómico, es una máquina creada con la finalidad de datar el tiempo exacto y facilitar todas las expediciones hacia el espacio exterior, proporcionando información detallada de la ubicación, el tiempo y la trayectoria. Te invitamos a descubrir su funcionamiento aquí.

RELOJ ATOMICO

El Reloj Atómico

El reloj atómico, es un aparato de curioso funcionamiento, de hecho es uno de los aparatos que suelen llamar la atención; ya que se alimenta a base una frecuencia de resonancia atómica y más. Estos relojes suelen funcionar con placas de metales de cesio 133, hidrógeno, rubidio y mercurio, mediante un choque electromagnético.

Es una máquina de precisión que responde a la vibración completa y energética de los átomos,  estos adelantan o atrasan una porción de tiempo llamada segundo, por cada 300 millones de años. Estos relojes son utilizados en muchas investigaciones científicas para fijar el posicionamiento del satélite o por GPS.

Por lo general los primeros  relojes atómicos  utilizaban cesio 133, lo que lleva a que estas máquinas puedan alterar los estados  energéticos de los átomos durante el bombardeo de las microondas, con la finalidad de poder calcular tiempo de forma exacta.

La frecuencia utilizada aumenta la cantidad de números atómicos y busca acrecentar las radiaciones la emisión de fotones. Los cambios de la energía se consideran naturalmente como la resonancia del átomo que se utilizan para especificar el tiempo.

RELOJ ATÓMICO

Mediante diversas investigaciones, se ha determinado que cada uno de los ciclos que experimenta un cambio de energía, eleva la cifra que detectan los segundos del tiempo. Esto da una referencia de la exactitud que los relojes atómicos pueden arrojar en investigaciones del área científica y las medidas astronómicas.

Es importante determinar cómo el factor tiempo se manifiesta como una cuarta dimensión, en función al despliegue de la materia. Ahora, cronológicamente hablando, el tiempo permite fijar momentos en los que suceden varios hechos, por cortos y largos plazos de tiempo.

Por lo general el tiempo era medido con métodos antiguos como el péndulo, basadas en la técnica del movimiento. Otros, con la rotación del sol, dándole un lugar aparente de manera paulatina, hasta que se fueron creando instrumentos  especialmente para determinar el tiempo.

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Inicialmente, se utilizaban los relojes de sol, un aparato que contaba los minutos y las horas según los movimientos del sol, luego se crearon los clepsidras, que eran principalmente  aparatos que contenían  un líquido que iba midiendo el flujo del tiempo y posteriormente se emplearon los  más conocidos, que eran los relojes de arena.

Con los avances tecnológicos, se crearon los cronómetros y los relojes atómicos, estas maquinas son utilizadas frecuentemente en estudios e investigaciones científicas, principalmente por los diferentes departamentos de la NASA que se encargan de realizar estos estudios, para así facilitar las actividades astronómicas, la medición exacta del tiempo.

El Primer Reloj Atómico en la Historia.

El primer reloj atómico, fue diseñado  para el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología (NIST), por Harold Lyons en el año 1949. Este instituto es un laboratorio dedicado a las ciencias físicas, con la finalidad de promover la competitividad y la innovación industrial. Las actividades realizadas por el NIST, se basan en organizar programas de laboratorio que manejan principalmente la ciencia y la tecnología, la ingeniería, la investigación de neutrones y la medición física y material.

Este tipo de máquinas logran medir el tiempo en “attosegundo”, que se refiere a la trillonésima parte de un segundo. (1 attosegundo=0, 000000000000000001 segundos).

Sin embargo, en el mismo año se diseñó otro reloj atómico en el Willard Frank Libby, de Estados Unidos. Basándose principalmente en las ideas sobre los fenómenos regulares como; la resonancia magnética atómica y molecular, con precisión utilizada por el prototipo del  (NIST), Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

Actualmente, existen varios patrones de frecuencia atómica, tomados de las fuentes por emisión de cesio. Y uno de estos, fue creado en el año 1955 en el National Physical Laboratory (NPL), en Inglaterra por Louis Essen y John Parry.

La exactitud obtenida con este tipo de relojes atómicos, admite específicamente los errores de segundos en 30 mil años. Según el observatorio de París, estos relojes pueden descontrolarse cada 52 millones de años.

También se hacían algunos experimentos con los relojes de cuarzos, aunque estos eran más exactos que los de amoniacos. Tomando en cuenta que el cuarzo,  es un mineral que permite la estabilización de la frecuencia lo que es efectiva para tener una medida de tiempo.

Los primeros diseñadores de la escala cronológica, determinaron que el tiempo y la duración del tiempo, condujo a definición del “segundo” a nivel internacional. Y esto ha facilitado las tareas y las actividades realizadas en el espacio profundo.

Los avances de la ciencia y la tecnología en el año 2009,  crearon un reloj atómico de estroncio ultra frío que resultó ser el más exacto en el mundo hasta ese momento, sobre las bases de átomos neutros, el mismo, prueba la eficacia de una explosión de luz, por medio de un láser de color rojo y otro de color azul, que impulsan los átomos en estado de excitación.

Generalmente las investigaciones se enfocan en los objetivos que mayormente contradictorios y esperan que los relojes sean de un tamaño más pequeño, económicos, exactos y confiables. Aunque las nuevas tecnologías, han permitido crear diversos prototipos para una próxima generación de relojes, se enfocan en la frecuencia de femtosegundos, información cuántica y las redes ópticas.

Se han realizados múltiples pruebas para la demostración de las frecuencias de radio y las frecuencias ópticas, los cuales han resultado ser engorrosas, complicadas y costosas. Aunque han permitido que a nivel mundial se sigan desarrollando numerosos sistemas accesibles para la creación de relojes atómicos y ópticos.

Los relojes atómicos forman parte del sistema base de la navegación o Sistema de Posicionamiento Global (GPS), lo que permite una media ponderada de estas máquinas ubicadas en las estaciones de la tierra y en los satélites.

¿Cómo funcionan?

Estas máquinas atómicas están estructuradas con un tubo cilíndrico de vacío y compuesta con diferentes elementos químicos, los átomos que se encuentran en los diferentes niveles de energía y las diversas partes que funcionan de la siguiente manera:

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  • Láser A: Los átomos pasan por el láser que minimiza los niveles de energía.
  • Cámara de microondas: La radiación es emitida por la frecuencia exacta, para que los átomos alcancen un estado alterado de la energía.
  • Divisor de Frecuencia: Disminuye las frecuencias de las microondas, por más de 9 mil millones por segundos.
  • Imanes: En cada lado de la cámara del microondas hay un imán, uno que garantiza la entrada de los átomos con poca energía y el otro emite los átomos detectores recargados por el microondas.
  • Servomecanismo: Modifica la frecuencia del microondas para tomar un mayor número de átomos de cesio en estado de alteración, buscando así el aumento de la señal.
  • Láser B: Permite que los átomos en estado de variación de energía que proyecten luz.
  • Detector: Se encuentra al final del tubo de vacío, que percibe los fotones emitidos por los átomos en estado de alteración de energía.

El funcionamiento mecánico de los relojes, trabajan principalmente con el movimiento de un péndulo, mientras que los atómicos trabajan por medio de la frecuencia energética en los diferentes rangos de microondas.

Los relojes de cesio tienen un horno que evapora los iones. Estos se presentan en cada estado y varían las propiedades magnéticas tras la evaporación y se utilizan imanes para descartar los que tienen mayor energía y el resto son reservado en otra cámara.

Utilizando osciladores eléctricos, que son circuitos electrónicos que producen una señal periódica y una onda senoidal cuadrada, para generar pulsos de frecuencia ajustable, que corresponde a la transición del cesio, por el proceso de retroalimentación.

Así como también utilizan un radio-emisor,que es la transmisión de datos de las microondas de manera uniforme. esto consiste en que el espacio de la cámara utilizado con las ondas eléctricas y la frecuencia del oscilador electrónico se acoplan y los iones absorben la radiación que emiten la luz. Los campos electromagnéticos son fundamentales  para medir estas partículas en una esfera donde se inyectan los átomos de cesio y estos propagan seis diferentes rayos de luz.

 Tipos de Relojes Atómicos

Es importante reconocer los diferentes tipos de relojes atómicos existentes, ya que los mismos utilizan diferentes elementos y permiten detectar los niveles de energía de formas distintas.

Reloj atómico de cesio

Emite un rayo de átomos de cesio y los separa en diferentes niveles de energía en el campo magnético aplicado. A nivel mundial es el reloj más comercial y utilizado en la actualidad.

Reloj atómico de Hidrógeno

Cargan dentro de un contenedor modificado con paredes especiales los átomos, para que mantengan su estado energético y no lo pierdan tan rápido.

Reloj atómico de Rubidio

Tienen una composición más simple que el resto de los relojes, utilizando una cámara de vidrio con gas rubidio que cambia la absorción de la luz a la frecuencia óptica.

El uso de los relojes atómicos es muy diverso; entre los más frecuentes se encuentran los siguientes:

  • Sistemas de Posicionamiento Global.
  • Medición del tiempo.
  • Mecanismos de lanzamiento de misiles.
  • Calibración de equipos.
  • Redes telefónicas.

Tipos de elementos utilizados

Estos utilizan diversos elementos naturales y minerales, como lo son:

Cesio 133: 

Es un metal ligero, blando y con un bajo punto de fusión. De todos los elementos, es el segundo menos electronegativo. Este metal reacciona de forma eficaz con el oxígeno para formar una mezcla de óxido, el mismo puede ser suficiente para derretir y encender el metal teniendo contacto con el aire húmedo y el calor de la oxidación.

Hay compuestos orgánicos que experimentan varios tipos de reacciones con el resto de los metales alcalinos, sin embargo, el cesio no reacciona con nitrógeno para formar los nitruros a diferencia del hidrógeno que reacciona con altas temperaturas y produce un hidruro muy estable. Asimismo, reacciona con el agua y el hielo.

Los átomos de cesio, están estructurados por 55 protònes en su núcleo y la misma cantidad, es decir 55 electrones en la órbita, lo que lo establece como un átomo neutro. El estado de energía cuántica que surge la interacción magnética, de los electrones internos, está dividido por la estructura fina, el espín, y el momento angular orbital.

Sin embargo, el núcleo interior de los átomos de cesio es perfecto hablando de la simetría,  la estructura fina en el momento angular cero. En la mecánica cuántica se logra visualizar la naturaleza y la interacción entre dos imanes, el núcleo y el electrón.

Los dos niveles de energía son estrechamente espaciados en los espines electrónicos y nucleares. Y la división es llamada, estructura hiperfina, que se refiere a los niveles de energía precisa y con poco espacio en los mecanismos del reloj de cesio.

Hidrógeno:

El átomo de hidrógenos consta de un núcleo con carga positiva y un electrón. Es uno de los elementos que constituyen el agua y toda la materia orgánica. Está distribuido en la tierra y en todo el universo. Pero pueden producirse de forma artificial mediante algunas reacciones de origen nuclear.

Existen tres tipos de hidrógeno:

  • Protio: se encuentra en los elementos naturales, en las del 99.8%
  • Deuterio: se encuentra en la naturaleza en un porcentaje de 0.02%
  • Tritio: se encuentra en cantidades pequeñas en la naturaleza.

Rubidio:

Es un metal de origen alcalino, de peso ligero, reactivo y de bajo punto de fusión. Mayormente, tiene los mismos componentes que el cesio, y es utilizado en la fabricación de los tubos de electrones, sales, vidrio y la cerámica.

Es un elemento abundante en el planeta tierra y ocupa una posición debajo de otros elementos como el carbono, cloro, estroncio y el flúor. Se estima que el agua contiene una baja cantidad de rubidio aunque es el doble de litio. Este elemento es muy similar al cesio y al litio, ya que, está compuesto por minerales complejos que no se encuentran en la naturaleza a diferencia del sodio y el potasio.

¿Cómo se mide el tiempo?

Los relojes atómicos, miden las oscilaciones ocasionadas por lo rayos  láser, y el mismo permite contar los segundos de forma precisa. Los átomos de iterbio  también pertenecen al grupo de los metales, la precisión de estos átomos suele ser más alta y supera a los relojes de cesio.

Por lo que permite medir con  exactitud el tiempo,  al menos un millón de veces en comparación con las que se llevan a cabo por medio de las técnicas astronómicas. Los relojes de hidrógeno muestran una mejor precisión que el de cesio, por lo tanto emiten la frecuencia correcta para la resonancia particular que se define por el acuerdo internacional (9, 192, 631,770 Hz), de tal modo que cuando se divide por este número, la salida es exactamente 1 Hz, o 1 ciclo por segundo.

Los relojes atómicos, manejan la inestabilidad de los diversos niveles energéticos utilizados para medir el tiempo, el mismo toma los campos oscilantes, basándose en la resonancia estudiada y la resonancia molecular. No obstante, se logró conseguir la precisión con el amoniaco con un nuevo patrón para la especificación de los segundos. Hablando de tiempo, conoce un poco mas sobre el viaje astral.

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El funcionamiento de estas máquinas es similar, con la diferencia de que un ion de iterbio es medido con dos láseres en lugar de las ondas y los de cesio se miden mediante la medición registrada de una frecuencia de oscilación. El reloj atómico en si, es el más preciso a nivel mundial por el conocido “TicTac” que marca la medida energética de tiempo necesaria para modificar el espín, que son las propiedades de los átomos.

Las ondas electromagnéticas son totalmente necesarias para llevar a cabo el cambio de los átomos, con una red mundial de más de 300 relojes. Algunos son enviados por vías satélites y otros terrestres.

El tictac, puede perder la precisión que se ajusta los diversos estándares de frecuencia primaria. En varios países que se dedican a estos estudios científicos en Estados Unidos, Reino Unido, Japón, y Francia. Tomando el tiempo atómico internacional para las mediciones astronómicas de los segundos del tiempo.

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Estructuralmente tienen un horno con placas de cesio, para generar la evaporación de los iones de dicho metal y presentar los estados que dependen del espín. Estos presentan más de una frecuencia energética y propiedades magnéticas, es decir, imanes, para separar los iones que entran en la cámara y excluir todos los que contienen una mayor carga.

Empleando una computadora, se hacen los cálculos pertinentes al conteo legible de un pulso en el espectro eléctrico, donde se escuchan los aparatos receptores, que llevan un conteo exacto de las trasmisiones eléctricas del cesio, emitido por las ondas magnéticas.

El tiempo atómico internacional se refiere a la norma principal del tiempo y el espacio, donde se pueden y en calcular diversos estándares. Es sostenida por la Oficina internacional de Pesas y Medidas, donde se establece el conjunto de diferentes relojes atómicos a nivel mundial.

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Se mantiene de una forma continua y estable, basado en las observaciones astronómicas y se toman en consideración los pasos de los días y de las noches. Aunque existen oficinas internacionales que se encargan específicamente de mantener la intercalación de los segundos., las normativas y todos aquellos controles que se utilizan para el uso correcto de los relojes.

Un Reloj en el Espacio

Los viajes espaciales, son todas aquellas expediciones que se llevan a cabo desde la tierra hacia el espacio exterior, los cuales son suficientemente largos, y tiene lugar principal cuando los cohetes y los satélites dejan la tierra para llegar a la órbita.

Loos viajes más extensos son hacia la luna, otros planetas como Marte y los conocidos viajes interestelares que emplean una cantidad significativa de científicos, entes militares, personal capacitado (astronautas) y personal especializado en la comunicación.

Conoce más sobre lo maravilloso del Viaje a Marte.

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Las naves utilizadas para efectuar estas expediciones, manejan una gran variedad de equipos tecnológicos, sin embargo, actualmente se incluyen los relojes atómicos  para una mejor precisión en la ubicación.

El reloj atómico de espacio profundo “Deep Space Atomic Clock”, fue elaborado en el “Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA” y fue lanzado en órbita el 24 de Junio del año 2.019. Dicho reloj es una actualización utilizada en la tierra con la finalidad de ir directamente hacia los satélites como los GPS.

En este caso, es un reloj de iones de mercurio con un sistema de comunicación mucho más precisa. Los relojes terrestres hoy en día son primordiales para la navegación de satélites y naves en el espacio profundo, debido a que los relojes atómicos son demasiado grandes para ser puestos en órbitas de la tierra.

Mediante la antenas terrestres y por medio de las sondas se envían los resultados obtenidos durante la navegación, estos relojes permiten proporcionar información a las oficinas sobre la ubicación, la velocidad y la ruta que  mantiene. Todos estos datos son procesados y enviados mediante las sondas, para poderlos rastrear sin inconvenientes.

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Asimismo, este reloj permite que la navegación de las llamadas naves espaciales, sea más autónoma, es decir, la precisión en la posición de las naves que viajan al espacio por su cuenta  y proporcionan información exacta  a los científicos en la tierra ya que existe poca comunicación en tiempo real.

Los relojes de cesio y estroncio son más precisos, sin embargo utilizan diferentes elementos como; hidrógeno, aluminio y mercurio. En Colorado, Estados Unidos se encuentran tres de estos relojes y nivel mundial hay una gran cantidad de máquinas activas ya que sus mediciones permiten la fabricación estándar de tiempo atómico internacional, conocido y utilizado como el TAI.

El nuevo reloj de la NASA

El” Deep Space Atomic Clock”, es el último reloj atómico de la NASA que fue enviado al espacio profundo, el 22 de Junio del año 2.019, desde florida a bordo del cohete SpaceX Falcon.

Esta innovación permitiría la navegación de seres humanos de manera más cómoda, y la navegación alrededor del sistema solar y de aquellos astronautas que son enviados a Marte y otros lugares del más allá. Fue construido en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en California, con la finalidad de que las naves puedan tener una tecnología mejorada y autónoma durante los viajes al espacio exterior.

Descubre lo amplio y extraordinario que puede ser nuestro mundo. en el artículo Curiosidades del Mundo.

¿Trabaja como un GPS?

Los relojes atómicos tienen similitudes con los relojes utilizados por los seres humanos, incluso con la interacción de los teléfonos celulares y todas las aplicaciones que usan GPS, con la finalidad de llevar a una persona a un lugar determinado desde un punto A hacia un punto B .

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En la tierra, el satélite calcula la señal en tiempo real la ubicación y esta es enviada al receptor, ya sea un teléfono celular, un auto o una nave.  Por lo general no tienen un sistema de localización o GPS, sin embargo, utilizan los relojes atómicos en la tierra para determinar el punto de su ubicación.

Mientras más distancia haya entre la nave y la tierra, más tiempo tarda en establecerse una comunicación. El nuevo reloj atómico, “Deep Space Atomic Clock”, es el primer reloj diseñado para volar dentro de una nave espacial, que estaría más allá de la órbita de la tierra, obteniendo drásticamente un avance.

Los viajes hacia el espacio exterior resultan ser muy atractivos desde el punto de vista del espectador y de quienes disfrutan de él de forma presencial. Estos viajes utilizaban anteriormente antenas gigantes que proporcionaban señal a la nave, que respondían a las peticiones del planeta tierra. Estos relojes atómicos, miden el tiempo que  se tarda la señal en realizar este viaje ida por vuelta. Solo así, los humanos podrían utilizar las antenas para indicarle  a la nave su ubicación en el espacio y hacia dónde puede ir.

Estas máquinas en el espacio podrían percibir la señal emitida desde la tierra y determinar su posición exacta y de forma inmediata. Cabe destacar que la exactitud de este reloj es de 1 segundo de error en nueve millones de años.

Suelen ser maravillosamente precisos y muy utilizados para estos viajes de experimentación e investigación, sin embargo, al arrojar el error de un segundo puede marcar la diferencia de aterrizar en el planeta Marte o no. En las pruebas realizadas en la tierra, se probó más de 50 veces en los satélites de GPS, ya que la finalidad de estos viajes es mostrar la estabilidad de las naves y las personas a bordo  en el espacio.

Este reloj atómico, utiliza iones de mercurio por lo que mantiene su precisión temporal. Los relojes digitales y atómicos miden el tiempo de formas muy parecidas, mediante las vibraciones de los cristales de cuarzo y las ondas electromagnéticas.

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Anteriormente, se medía el tiempo con un péndulo, pero con los avances tecnológicos determinan que un reloj digital de uso diario, pierda varios segundos en un tiempo relativamente corto. Los segundos se miden por la frecuencia emitida por la luz que libera los átomos específicos, los cuales son los mismos utilizados a nivel mundial. Y estos son relativamente sensibles a los cambios de temperaturas.

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