¿Cuánto dura un segundo?

La duración de un segundo, la longitud de un metro o la masa de un kilogramo son convenciones, acuerdos a los que hemos llegado para entendernos unos a otros. Un segundo dura lo mismo aquí que en cualquier parte del mundo, es igual para un español que para un francés que para un estadounidense. Esto es así gracias a que la medida de las cosas se ha acordado internacionalmente. En eso consiste el Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI), que es un sistema constituido por siete unidades básicas a partir de las cuales derivan todas las demás. Así tenemos el segundo (s) para medir el tiempo, el metro (m) para la longitud, el kilogramo (kg) para la masa, el amperio (A) para la corriente eléctrica, el kelvin (K) para la temperatura, el mol (mol) para la cantidad de materia y la candela (cd) para la intensidad luminosa.

Antiguamente había objetos que eran tomados como referencia: un objeto que pesaba un kilogramo o una vara que medía un metro, y de ellos derivaba todo lo demás. Pero desde hace más de un siglo nos podemos permitir ser más exquisitos y fijar el valor de cada una de estas unidades a partir de constantes universales, de esa manera aseguramos que las unidades sean exactamente iguales para todos. Por ejemplo, el metro se define con respecto a la velocidad de la luz en el vacío, que es una constante universal; el amperio se define a partir de la carga elemental del electrón; el kilogramo se define a partir de la constante de Planck; el kelvin de la constante de Boltzmann; el mol del número de Avogadro; y el segundo se define desde los años sesenta a partir del elemento químico cesio. ¿Por qué el cesio?

Los relojes convencionales funcionan midiendo la cantidad de oscilaciones o golpes que da un objeto que vibra. Por ejemplo, un reloj con péndulo hace que sus engranajes se muevan con cada ir y venir del péndulo. Un reloj digital utiliza la energía eléctrica para hacer vibrar un cristal de cuarzo, y un contador electrónico mide sus oscilaciones. Los relojes atómicos funcionan con cesio, al que también se le hace vibrar por dentro. Lo que vibra del cesio son sus electrones, un vaivén constante que se llama frecuencia de resonancia.

Los relojes atómicos de cesio son los más precisos que conocemos, por eso se utilizan para sincronizar los relojes oficiales y establecer elTiempo Universal Coordinado (UTC) del que dependen los husos horarios, para el posicionamiento exacto por GPS y para algunas investigaciones científicas.

El cesio (Cs) es el elemento químico de número atómico 55. El que se usa en los relojes atómicos es el isótopo de cesio 133. Esto quiere decir que el cesio es un elemento que en su núcleo tiene 55 protones, pero el que se usa en los relojes atómicos tiene 55 protones (esto es inamovible, de lo contrario no sería cesio) y 78 neutrones (78 y 55 suman 133). Y alrededor de su núcleo orbitan 55 electrones. Los electrones son los que bailan con ese vaivén por el que definimos el segundo.

A los electrones del cesio les hacemos bailar de la siguiente manera. Primero el cesio se calienta hasta convertirlo en un vapor de cesio. Los átomos de cesio se dividen en dos clases dependiendo de sus electrones más externos. Hay una cualidad de los electrones que se llama espín, que vendría a ser el sentido del giro con el que bailan. Unos bailan con más energía que otros. Gracias a un imán se pueden separar los átomos de cesio menos energéticos y llevarlos a una cámara. En esa cámara se les da un chute de energía de microondas hasta que se convierten en átomos de cesio girando a tope de energía. Sin embargo, estos átomos de cesio estimulados con microondas tienden a volver a su estado natural. Para volver se desprenden de la energía extra, y esto lo hacen emitiendo luz. La luz la podemos captar con un sensor que es como una cámara de fotos. Esto sucede en el cesio a una velocidad enorme: se carga de energía y la devuelve una y otra vez. Cada subida y bajada de energía es un vaivén, una oscilación. Es como si el cesio fuese un péndulo de escala atómica.

Cada segundo el cesio 133 produce 9.192.631.770 oscilaciones. Nunca produce ni una oscilación más, ni una menos. Por eso el segundo se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades como las 9.192.631.770 oscilaciones del isótopo de cesio 133. La elevada cifra de oscilaciones que se detectan en un segundo da una idea de la extrema precisión de la medida y explica que los relojes atómicos sean imprescindibles para tecnologías que requieren la máxima exactitud. La precisión alcanzada con el reloj atómico de cesio es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30 millones de años.