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México y la medición atómica del tiempo

México ha desarrollado una tecnología de medición de tiempo con exactitudes extraordinarias, con esta tecnología ofrece el soporte científico y tecnológico adecuado para el desarrollo de las comunicaciones, la telefonía y los sistemas GPS, por poner algunos ejemplos.

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Históricamente, la medición de tiempo ha sido una actividad estratégica para los grupos humanos. Observaciones cuidadosas de fenómenos periódicos de la naturaleza han sentado las bases para fundamentar la medición de tiempo. Estos fenómenos pueden ser diversa índole: astronómicos, atómicos ó mecánicos, entre otros. El conocimiento del advenimiento y duración de algunos ciclos de la naturaleza, permitió a los grupos sociales poseedores de estos conocimientos organizar buena parte de sus actividades agrícolas y comerciales, de manera que pudieran aprovechar al máximo posible sus recursos. Posteriormente, se observó que el avance de las comunicaciones está muy ligado a la capacidad de medición de tiempo.

En la actualidad, el gran volumen de comunicaciones rápidas y casi instantáneas alrededor del mundo requiere de medición de tiempo en forma rutinaria con control al nivel de millonésimas de segundo. Cualquier país que se precie de ser tecnológicamente desarrollado o que busque serlo debe tener la capacidad de medir el tiempo con alto nivel de exactitud. En México, el Centro Nacional de Metrología (CENAM) dependiente de la Secretaría de Comercio y Fomento Industrial, ha desarrollado una tecnología de medición de tiempo con exactitudes diez veces mejores que la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo. Con esta tecnología el CENAM ofrece el soporte científico y tecnológico adecuado para la solución de problemas relacionados con la medición del tiempo. 

El Segundo, unidad fundamental

La unidad fundamental para la medición de tiempo es el segundo, pero ¿qué es un segundo? Esta pregunta en apariencia inocente,no lo es tanto. Durante este siglo XX la definición del segundo ha sido modificada dos veces: en 1957 el segundo deja de ser definido en términos del movimiento de rotación de la Tierra y se adopta una nueva definición en términos del movimiento de translación. De 1967 a la fecha el segundo se define en términos de los propiedades del átomo de Cesio-133. Esto es, en 1967 la definición del segundo pasó de astronómica a ser atómica, razón por la cual a los instrumentos que reproducen el segundo a partir de su misma definición se les llama oficialmente relojes atómicos. En términos precisos, un segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133. La reproducción de la definición del segundo con tan altos niveles de exactitud trae consigo importantes retos para la física experimental.

En el laboratorio existen muchos parámetros, tales como la temperatura, los campos eléctricosy loscampos magnéticos, entre otros, que inducen corrimientos en los niveles de energía del átomo de Cesio El trabajo del físico experimental a este respecto es tener suficiente control sobre esos parámetros para hacer las correcciones pertinentes y cancelar de esta forma los corrimientos de energía que estos inducen. Un hecho es claro, de todas las magnitudes físicas susceptibles de medición, el tiempo es la que se mide, por mucho, con mayor exactitud. En el caso hipotético de que el reloj atómico del CENAM hubiera estado funcionando desde el inicio del universo, solamente habría acumulado tres horas de error en la medición de la edad del universo, esto es tres horas en diez mil millones de años. 

Aplicaciones de la medición de tiempo

Entre las más demandantes están las comunicaciones, la telefonía por ejemplo. Es un hecho para las empresas de telefonía que a mayor capacidad de medición de tiempo se tiene también mayor capacidad de manejo de información a través de su red. En la actualidad, las empresas de comunicación requieren control en la medición de tiempo al nivel de 10 mil millónesimas de segundo en forma rutinaria. Otras aplicaciones de la medición de tiempo de alta exactitud están en los sistemas de navegación electrónicos, los cuales operan en función a la emisión sincronizada de pulsos de señales electromagnéticas; como ejemplo se puede citar al Sistema Global de Posicionamiento, GPS. El sistema GPS consta de 24 satélites que envían señales de tiempo sincronizadas a la Tierra apoyados en relojes atómicos a bordo de los satélites.

Por otro lado, en la radioastronomía los relojes atómicos son usados para tener mayor nivel de resolución en la posición de los objetos astronómicos que emiten señales de radio-frecuencia; son usados también para medir la periodicidad de los pulsos de campo magnético que llegan a la Tierra emitidos por objetos celestes llamados pulsares. En la investigación básica los relojes atómicos son de interés particular ya que pueden ser utilizados para poner a prueba el nivel de exactitud de algunos de los modelos teóricos de la física, por ejemplo la Teoría de la Relatividad. 

Escala de tiempo común

Desde la aparición de los relojes atómicos se ha observado un incremento en la exactitud de la medición de tiempo de aproximadamente un factor de 10 en cada década. De continuar esta tendencia, los relojes atómicos seguirán brindando el soporte técnico medular que necesita la expansión de las comunicaciones. Internet inalámbrico, transmisión de imágenes en tiempo real por la red telefónica y en forma masiva, mayor control en los sistemas de navegación aérea, son algunas de las mejoras tecnológicas que pueden esperarse para la próxima década. Los relojes atómicos del CENAM son usados, entre otras cosas, para generar el tiempo de referencia en México; este tiempo es el más exacto del país. En noviembre de 1999 se firmó un reconocimiento mutuo entre los laboratorios que producen las escalas de tiempo de referencia para Canadá, Estados Unidos y México.

Estos laboratorios son el National Research Council, el National Institute of Standards and Technology y el Centro Nacional de Metrología, respectivamente. Los tres laboratorios reconocen que no hay diferencia alguna entre los tiempos generados por ellos al nivel de 5 millonésimas de segundo; tal reconocimiento facilita, en cierta medida, el intercambio comercial y de servicios entre los tres países, ya que la inmensa mayoría de los usuarios de tiempo pueden accesar la escala de tiempo que les sea más conveniente. En cierto modo, al nivel de 5 millonésimas de segundo, existe en Norteamérica una escala de tiempo común, que técnicamente se le ha llamado Tiempo Universal Coordinado de Norteamérica.

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