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El 24 de Junio, la NASA lanzó un nuevo reloj
atómico en órbita en un Falcon Heavy. El Deep Space Atomic
Clock, desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro
de la NASA.
Es una actualización para los relojes atómicos
que usamos aquí en la Tierra y para los relojes que ya vuelan
en satélites como los que proporcionan GPS, tal y como publicó
la web Live Science. Este nuevo reloj atómico hará que la
navegación de la nave espacial a objetos distantes en el espacio,
por ejemplo en el viaje a Marte, sea más autónoma. La precisión
en la medición de la posición de la nave espacial que los
científicos esperan obtener con él permitirá a las naves que
viajan en el espacio profundo actuar por su cuenta, sin mucha
comunicación con la Tierra.
Sería una gran mejora en la forma en que se
navega actualmente, según explicó la NASA en un comunicado.
Estos relojes usan distintos elementos: cesio,
estroncio, hidrógeno, aluminio, mercurio...
Los de cesio y estroncio son los más exactos.
Tres se encuentran en Colorado (EE. UU.). Sobre la Tierra,
hay centenares de estos aparatos en activo, y sus mediciones
han permitido la creación del estándar tiempo atómico internacional
(TAI), usado en todo el mundo.
Pongamos por ejemplo un reloj atómico de cesio,
que es una estructura con un tubo de vacío y compuesta de
distintos elementos. Todo comienza con una fuente de estos
átomos, que se encuentran en diferentes niveles de energía.
- Láser A: los átomos de cesio pasan por un
láser que disminuye al mínimo sus niveles de energía.
- En la cámara de microondas, la radiación de
microondas se emite en la frecuencia justa para que los átomos
que entren alcancen un estado excitado de energía.
- El divisor de frecuencia reduce las altas
frecuencias de las microondas (más de 9.000 millones de ciclos
por segundo) para facilitar el recuento.
- Imanes: Hay dos imanes a cada lado de la cámara
de microondas. El primero garantiza que solo entren en ella
átomos con poca energía. El segundo envía al detector los
átomos recargados por el impacto de las microondas. - El servomecanismo
cambia la frecuencia de las microondas en la cámara para poner
el mayor número posible de átomos de cesio en estado de excitación,
de forma que aumente la intensidad de la señal luminosa.
- Láser B: Un segundo láser hace que los átomos
en estado excitado de energía emitan luz.
- Detector: El detector, situado al final del
tubo de vacío, capta los fotones emitidos por los átomos excitados.
El primer reloj atómico de la historia En 1949
se construyó el primer reloj atómico de la historia. Lo diseñó
Harold Lyons para el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología
de EE. UU. (NIST). Este tipo de relojes son capaces de medir
el tiempo en attosegundos, es decir, en la trillonésima parte
de un segundo.
1 attosegundo = 0,000000000000000001 segundos.
Lord Kelvin sugirió por primera vez en 1879
la idea de utilizar la vibración atómica para medir el tiempo.
El método práctico para realizarlo se convirtió en la resonancia
magnética, desarrollada en el decenio de 1930 por Isidor Isaac
Rabi. El primer reloj atómico fue un dispositivo de máser
de amoníaco construido en 1949 en la Oficina Nacional de Normas
de EE. UU. NBS, ahora NIST). Era menos exacto que los relojes
de cuarzo existentes, pero sirvió para demostrar el concepto.
El primer reloj atómico exacto fue un estándar de cesio sobre
la base de una cierta transición del átomo de 133Cs, construido
por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física
(Reino Unido). La calibración del reloj atómico estándar de
cesio se efectuó mediante la escala cronológica astronómica
tiempo de efemérides (TE).
Esto condujo a la más reciente definición de
segundo acordada internacionalmente, por el Sistema Internacional
de Unidades (SI), basada en tiempo atómico. Se ha verificado
que la igualdad del segundo ET con la del segundo SI (reloj
atómico) es de una precisión de 1 parte en 1010.
El segundo SI hereda así el efecto de las decisiones
de los diseñadores originales de la escala cronológica ET:
tiempo de efemérides, la determinación de la duración del
segundo ET.
El reloj atómico óptico de estroncio JILA (siglas
de Joint Institute for Laboratory Astrophysics) es ahora el
reloj más exacto del mundo sobre la base de átomos neutros.
Un luminoso láser azul en los átomos de estroncio ultrafríos
en una trampa óptica que prueba sobre la eficacia de una explosión
previa de luz de un láser de color rojo ha impulsado los átomos
a un estado excitado. Sólo los átomos que permanecen en el
estado de menor energía responden al láser azul y provocan
la fluorescencia.
Desde el comienzo del desarrollo en el decenio
de 1950, los relojes atómicos se han hecho sobre la base hiperfina
(microondas) de las transiciones en 1H (hidrógeno 1), 133Cs
y 87Rb (rubidio 87). El primer reloj atómico comercial fue
el Atomichron fabricado por la National Company. Se vendieron
más de 50, entre 1956 y 1960. A esta máquina, voluminosa y
cara, posteriormente la substituyeron dispositivos mucho más
pequeños, de montaje en rack, como el modelo 5060 de Hewlett-Packard
estándar, de frecuencia de cesio, lanzado en 1964.
A finales del decenio de 1990, cuatro factores
han contribuido a importantes avances en este tipo de relojes:
Enfriamiento láser y atrapado de átomos. Cavidades de alta
finura de Fabry-Pérot para líneas láser angostas. Espectroscopia
láser de precisión. Un conveniente recuento de frecuencias
ópticas utilizando peines ópticos.
En agosto de 2004, científicos del NIST mostraron
un reloj atómico de chips. Según los investigadores, el tamaño
del reloj sería de la centésima parte de cualquiera otro.
También se proclamó que requería sólo 75 milivatios (mW),
lo que es idóneo para aplicaciones sustentadas en energía
a base de pilas. Esta tecnología está disponible comercialmente
desde 2011. En marzo de 2008, físicos del NIST mostraron un
reloj basado en lógica cuántica sobre mercurio y sobre iones
individuales de aluminio. Estos dos relojes son las más exactos
que se han construido hasta la fecha. No se atrasan, ni se
adelantan, a una velocidad que exceda en más de un segundo
en mil millones de años.
Los físicos continúan experimentando nuevas
variaciones con másers, de: a) hidrógeno (Townes); b) bombeo
óptico de rubidio (Kasler); c) los recientemente propuestos
de mercurio, que permitirían alcanzar mayor precisión. También
se mejora constantemente la precisión en los de cesio con
láseres para enfriar los átomos, y la obtenida en el último
reloj del NIST, el NIST-F1, puesto en marcha en 1999, que
es del orden de un segundo en veinte millones de años. En
agosto de 2004, científicos del NIST hicieron la primera demostración
de un reloj atómico del tamaño de un circuito integrado. Esto
representa un reloj cien veces menor que cualquier otro construido
hasta la fecha, cuyo consumo es de sólo 0,079 vatios.
En 2014 se presentó el NIST F-2, que
mejoraba la precisión hasta los 300 millones de años. Se mantuvieron
ambos operativos para poder comparar los resultados.
NIST F-2, al igual que su predecesor, está basado
en una fuente de cesio, que utiliza la señal de microondas
que los electrones emiten cuando su nivel de energía cambia.
Una de estas transiciones es la empleada para determinar la
duración de un segundo en el sistema internacional de unidades,
ya que es una medida más práctica y reproducible que la fracción
de la rotación de la Tierra.
La diferencia con el nuevo modelo es que, mientras
el NIST F-1 trabaja a temperatura ambiente, NIST F-2 lo hace
a una temperatura constante de -193ºC. Esto reduce el efecto
de la radiación de fondo y evita errores de medida. Steve
Jefferts, diseñador jefe del NIST F-2, aseguró que
“si algo hemos aprendido en 60 años de fabricar relojes atómicos
es que cada vez que construimos un reloj mejor, alguien llega
con un uso que no habías previsto”.
El reloj mecánico depende de un péndulo para
funcionar.
El atómico trabaja mediante la frecuencia de
las transiciones energéticas hiperfinas (en los rangos de
microondas) en los átomos.
En un extremo del reloj de cesio hay un horno
con una placa de cesio, del cual se evaporan iones de este
metal. Los iones se presentan en dos estados dependientes
del espín o giro (spin) del último electrón del cesio. La
diferencia de energía entre estos dos estados corresponde
a una frecuencia de 9 192 631 770 hercios (Hz). En cada estado
las propiedades magnéticas de los iones son diferentes. Tras
la evaporación se utiliza un imán para separar los iones y
descartar los de mayor energía. Los iones de menor energía
se reubican en una cámara.
El verdadero reloj es un oscilador electrónico
que genera pulsos de una frecuencia ajustable. Se ajusta a
la correspondiente a la transición hiperfina del cesio por
el proceso de realimentación siguiente. Un radioemisor de
microondas llena de manera uniforme la cavidad de la cámara
con ondas radioeléctricas de la frecuencia del oscilador electrónico.
Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla
con la frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los
iones de cesio absorben la radiación y emiten luz. Una celda
fotoeléctrica es sensible a la luz emitida y está conectada
al oscilador electrónico con instrumentación electrónica.
Para realizar la medición mediante estas partículas
es necesario crear un campo electromagnético que no existe
naturalmente en el Universo.
El proceso se realiza dentro de una «trampa
magneto-óptica»: esfera del tamaño de un melón, en la cual
se inyectan átomos de cesio que, confinados en un campo magnético,
propagan seis rayos de luz láser.
De igual modo que una persona disminuye su paso
ante una ráfaga de viento, los átomos reducen su velocidad
al ser bombardeados por los láseres emitidos en todas direcciones.
Mediante este método los átomos pueden reducir
su velocidad hasta hacerla 10 mil veces más lenta de lo normal.
Cuando los átomos y los láseres chocan, se
forma una nube de átomos muy lentos o ultrafríos.
Los usos más frecuentes de los relojes atómicos
son: Redes de telefonía. Sistemas de Posicionamiento Global
(GPS), medición del tiempo o la calibración de equipos.
Einstein lo llamó "efecto fantasmal a distancia".
Para perfeccionar los relojes atómicos, la forma mas precisa
de medir el tiempo, investigadores financiados por la NASA
están usando un asombroso fenómeno de la mecánica cuántica
llamado "entrelazamiento" (N. del T: también se conoce en
español como "no localidad", "estados cuánticos entrelazados"
o paradoja EPR -- Einstein Podolski Rosenen; en inglés "entanglement"
). Los relojes sincronizados de esta forma, podrían ser 1000
veces más precisos que los actuales.
Esta mejora podría beneficiar a pilotos, granjeros,
exploradores, y a todos aquellos que usan el sistema GPS (Sistema
de Posicionamiento Global). Cada uno de los más de 24 satélites
GPS lleva en su interior cuatro relojes atómicos. En un proceso
de triangulación, los receptores GPS utilizan las señales
de tiempo emitidas por los satélites para calcular la posición.
La NASA utiliza los relojes atómicos para la
navegación. Los geólogos los usan para monitorear la deriva
de los continentes, y los cambios en la rotación de la Tierra.
Los físicos los usan para verificar las teorías de la gravedad.
Un reloj atómico entrelazado podría tener suficiente precisión
como para verificar la Constante de la Estructura Fina, una
de las constantes fundamentales de la física.
A Einstein nunca le agradó el entrelazado de
partículas. Parece contradecir un principio central de la
teoría de la relatividad: nada, incluida la información, puede
viajar mas rápido que la luz.
En mecánica cuántica, todas las fuerzas de la
naturaleza se basan en el intercambio de partículas tales
como los fotones. Estas partículas deben respetar el límite
de la velocidad de la luz en el vacío. Según este principio,
una causa "aquí" no puede resultar en un efecto "allá", antes
de la demora de la luz en viajar hasta "allá" en el vacío.
Sin embargo, dos partículas entrelazadas parecen influenciarse
instantáneamente, ya sea en la misma habitación o en lugares
opuestos del universo.
El Tiempo Atómico Internacional es un estándar
atómico de alta precisión para medir el tiempo propio de un
cuerpo geoide con un reloj atómico. Con la invención del reloj
atómico en 1948, se hizo posible medir el tiempo de manera
más precisa e independiente de los movimientos de la Tierra,
a través del conteo de las transiciones del átomo de cesio
133. Los físicos asumieron el trabajo de los astrónomos de
medir el tiempo, y definieron al segundo como el tiempo que
necesita el átomo de cesio 133 para efectuar exactamente 9.192.631.770
transiciones.
La elección de 9.192.631.770 se hizo para igualar
el segundo atómico con el segundo medio solar en el año de
su introducción. En la actualidad, diversos laboratorios del
mundo tienen relojes de cesio 133. De manera periódica, cada
laboratorio le indica al Bureau International de l’Heure (BIH)
de París cuántas veces ha hecho marca su reloj. El BIH promedia
estas marcas para producir el Tiempo Atómico Internacional,
lo cual se abrevia como TAI. Así, el TAI es exactamente el
número medio de marcas de los relojes de cesio 133, desde
la medianoche del 1 de enero de 1958 (el comienzo del tiempo),
dividido entre 9.192.631.770.
La escala del tiempo se ligaba al período de
rotación de la Tierra, que se suponía uniforme, denominado
Tiempo Universal o TU, Donde el segundo estaba definido como
1/86.400 del día solar medio.
Sin embargo, la rotación de la Tierra no es
uniforme por múltiples causas (como fuerzas de marea o sobre
todo a interacciones gravitatorias con el Sol y la Luna).
Para resolver este problema se define el Tiempo de efemérides
o TE, que se basa en el movimiento orbital de la Tierra alrededor
del Sol más que en la rotación de la Tierra sobre su eje.
En 1949 se puso en funcionamiento el primer
reloj atómico basado en la frecuencia de resonancia de la
molécula de amoníaco, pero no era más preciso que un reloj
con oscilador de cuarzo.
En los años 1950 apareció el primer reloj de
haz de cesio; en 1958 se empezó a usar para medir el tiempo
de forma experimental.
En 1960 se instaló el primer máser de hidrógeno,
la exactitud de los nuevos relojes es del orden del microsegundo
por año. Los astrónomos instituyeron el Tiempo de efemérides
(TE), aunque cambiaría de nombre en 1984 por el de Tiempo
Dinámico Terrestre (TDT o TT).
En el año 1967, la extraordinaria precisión
del reloj atómico posibilita que se redefina el segundo: Un
segundo es la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación
emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos
del estado fundamental del átomo de cesio 133, a nivel del
mar (con campo magnético cero).
El número de oscilaciones fue escogido para
que su duración fuera lo más similar posible al segundo de
efemérides establecido en 1900. En 1972 se hace oficial una
nueva escala de tiempo: el Tiempo Atómico Internacional o
TAI.
El Tiempo Atómico significa que por vez primera
la unidad de tiempo, el segundo, no está ligada a un fenómeno
astronómico. La navegación, la aviación y el transporte actuales
se rigen por el Tiempo Atómico. El Sistema de Posición Geográfica
o GPS (Global Position System) requiere la precisión y estabilidad
de los relojes atómicos para localizar posiciones en la Tierra.
Cada satélite GPS lleva cuatro relojes atómicos con los cuales
puede apreciar pequeñísimas diferencias de tiempo en las señales
emitidas, para poder ubicar la posición mediante trilateración
(o multilateración).
Desde el 31 de diciembre de 2016, tras la introducción
de un nuevo segundo intercalar, el TAI esta exactamente 37
segundos por delante de UTC. 10 segundos de diferencia inicial
al comienzo de 1972, más 27 segundos de adelanto del UTC desde
1972.
El TAI forma parte del Tiempo Universal Coordinado
o UTC, que proporciona las señales horarias que ponen en punto
los relojes. El Servicio Internacional de Rotación de la Tierra
y Sistemas de Referencia (International Earth Rotation and
Reference Systems Service) o IERS, y el Observatorio de París,
determinaron que el 30 de junio o el 31 de diciembre son las
fechas adecuadas para añadir o quitar un segundo al año, si
fuera preciso.
La exploración espacial y la capacidad
de calcular grandes distancias es la gran utilidad de estos
estudios.
La exploración del espacio profundo es usualmente
descrita como la exploración de objetos y sitios que se encuentran
alejados de la Tierra, dentro o fuera del sistema solar. Las
áreas involucradas en la exploración de las regiones distantes
del espacio exterior son la astronomía, la aeronáutica y la
tecnología espacial. La exploración espacial física es conducida
por vuelos espaciales tripulados y naves espaciales robóticas.
Al día de hoy, la nave que más lejos ha llegado construida
por humanos y lanzada desde la Tierra es el Voyager 1. El
5 de diciembre de 2011 se anunció que había alcanzado el límite
del Sistema Solar. El 25 de agosto de 2013, se anunció que
había entrado en espacio interestelar.
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Se llama viaje interestelar a un viaje tripulado
o no tripulado entre estrellas. Éste es un concepto básico
dentro de la ciencia ficción, pero en la práctica, el viaje
interestelar es mucho más difícil que el viaje interplanetario
debido a que las distancias implicadas son enormemente mayores
(del orden del año luz). Por la misma razón el viaje intergaláctico
es aún más complicado. La posibilidad del viaje interestelar
ha sido debatida arduamente por varios científicos, autores
de ciencia-ficción y entusiastas. En este sentido, se han
publicado muchos trabajos sobre conceptos relacionados. Dados
un tiempo de viaje suficiente y un trabajo de ingeniería,
son posibles tanto viajes no tripulados como viajes generacionales,
aunque representan un considerable reto tanto tecnológico
como económico difícil de alcanzar durante algún tiempo, en
concreto para sondas tripuladas. La NASA ha estado investigando
en estos temas durante varios años, y ha acumulado una serie
de aproximaciones teóricas.
Si una nave espacial pudiera viajar a una velocidad
media del 10 % de la velocidad de la luz, ello sería suficiente
para alcanzar Próxima Centauri en cuarenta años. Hay varios
sistemas de propulsión capaces de conseguir esto, si bien
ninguno de ellos es razonablemente económico.
Desde la década de 1960 es técnicamente posible
construir naves espaciales con propulsión nuclear de pulso,
esto es, naves conducidas por una serie de explosiones nucleares.
Este sistema de propulsión conlleva la posibilidad de un impulso
específico muy alto —el equivalente en los viajes espaciales
a la economía de combustible— y una alta velocidad, por lo
que alcanzar la estrella más cercana sería una cuestión de
décadas y no de siglos. Los costes operativos y de construcción
por unidad de masa en órbita -sin combustible- serían similares
a los de las naves que utilizan cohetes químicos.
Existen al menos dos proyectos de naves espaciales
que utilizan propulsión nuclear de pulso, el Proyecto Orión
y el Proyecto Longshot. Mediante el uso de bombas nucleares
en miniatura como combustible, Orión debería alcanzar un 7
% de la velocidad de la luz. Es una de las pocas propuestas
de una nave interestelar que puede ser construida enteramente
con tecnología actual.
Áun no es posible llevar a cabo una exploración
del espacio profundo más lejana debido a las limitaciones
de la tecnología de motores espaciales del día de hoy. Algunos
de los mejores candidatos para una exploración futura incluyen
la antimateria, poder nuclear y la propulsión de haces de
potencia. Este último, parece ser el mejor candidato para
la exploración profunda, debido a que usa física y tecnología
conocida que está siendo desarrollada para otros propósitos.
La investigación del espacio profundo se está
desarrollando de manera acelerada. En 2011, después del retiro
del Transbordador STS, la NASA anunció sus intenciones de
invertir capital en el desarrollo de tres tecnologías vitales
para la exploración del espacio profundo. Estas tecnologías
incluyen un reloj atómico del espacio profundo, una gran vela
solar y un sistema de comunicaciones por láser más avanzado
para mejorar la comunicación, navegación y propulsión en futuras
misiones. En junio de 2013, la NASA anunció la selección ocho
astronautas americanos que comenzarán a entrenar para misiones
futuras de exploración espacial profunda más allá de la órbita
terrestre. La NASA pretende que estos ocho astronautas entrenen
para misiones a Marte o a asteroides.
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