Siguiendo con nuestra serie de entradas sobre “Física y Telefonía” o “Física y Telecomunicaciones”, os presentamos aquí una sobre los fundamentos físicos de los relojes atómicos. Este tipo de relojes es fundamental tanto para los sistemas de posicionamiento global (GPS) como para las Redes IP, que además de soportar el servicio de acceso a internet están actualmente sustituyendo a las redes convencionales de conmutación de circuitos mediante la generalización de la fibra óptica hasta el hogar.
En su libro Revolución en el tiempo. El reloj y la formación del mundo moderno, el historiador David S. Landes destaca la importancia del control del tiempo y su medición en el desarrollo histórico de las sociedades. Se centra principalmente en el auge de los primeros relojes mecánicos en Europa desde el siglo XIV, para pasar a la implementación de los cronómetros marinos en el siglo XVIII que permitieron una medida precisa de las coordenadas espaciales de los barcos en los grandes viajes, y terminar con los relojes de cuarzo ya en el siglo XX, que fueron claves en el desarrollo de la tecnología moderna, y en particular de la electrónica y, por tanto, de las telecomunicaciones. Ciertamente, en su magnífico libro solo cita de pasada los relojes atómicos. Creo que el motivo de esta ausencia se puede deber a que a nivel funcional, en cuanto a influencia social en la gente de la calle, el impacto de los relojes de cuarzo fue mayor al de los atómicos, siendo estos últimos más una aplicación para las operadoras de telecomunicaciones que para el gran público, aunque ciertamente utilizamos en nuestra vida cotidiana la precisión en el tiempo gracias a los relojes atómicos cada vez que usamos internet o una aplicación de geolocalización para orientarnos con las aplicaciones de mapas de nuestros dispositivos móviles.
En efecto, cuando dio comienzo la digitalización de la red telefónica, primero en los sistemas de transmisión, con los sistemas MIC (Modulación por Impulsos Codificados), y más tarde con los de conmutación, la sincronización temporal de los equipos era fundamental, para lo que se empezaron a utilizar relojes de cuarzo, mucho más precisos que los clásicos. Esto era esencial para las tramas de datos de los sistemas MIC, es decir para, por un lado, la multiplexación de los canales de voz en un mismo medio de transmisión, y, por otro, para la demultiplexación y decodificación de la señal digital, de tal forma que era imprescindible que los relojes de ambos extremos se sincronizasen perfectamente.
Un reloj de cuarzo, en realidad es más propio hablar de reloj de cristal de cuarzo, hace uso de la piezoelectricidad de determinados cristales (una propiedad por la que un material genera un campo eléctrico al sufrir una deformación mecánica, y viceversa, es capaz de oscilar mecánicamente ante la acción de un campo eléctrico) para crear un oscilador electrónico que genera una señal muy estable en el tiempo, lo que permite disponer de un reloj muy preciso.
En los equipos de telecomunicaciones se siguen utilizando relojes de cuarzo, pero en una red de telecomunicaciones todos los relojes se sincronizan con unos relojes maestros o patrones centrales, que están compuestos por relojes atómicos. De esta forma los equipos de transmisión y conmutación, en cualquier lugar en donde se encuentren, sincronizan su señal de reloj local con la del patrón atómico que reciben en remoto.
También en los actuales sistemas de posicionamiento global (GPS) se utilizan relojes atómicos, ya que es fundamental la precisión en la sincronización del tiempo entre los satélites, las estaciones terrenas de control y los terminales móviles GPS, para lo que incluso se aplican las correcciones relativistas en el cálculo del tiempo transcurrido en el satélite respecto de la tierra, asunto al que dedicaremos una entrada próximamente. Igualmente es fundamental la precisión en la medición del tiempo en las actuales Redes IP, para lo que se también usan relojes atómicos como patrones, como ya se ha indicado anteriormente, y son la base del sistema NTP (Network Time Protocol) para la sincronización temporal de todos los equipos, tanto los de las operadoras como los de los usuarios finales.
En el caso de España, sabemos que Telefónica dispone de, como mínimo, un servidor NTP con reloj atómico. El organismo oficial que se encarga del patrón nacional de la unidad básica de tiempo es el Real Observatorio de la Armada que dispone en su laboratorio de relojes atómicos (acceso a la web de la Sección de Hora del ROA).
Vayamos con la física
Y, ¿qué tiene que ver la Física con los relojes atómicos? Pues todo.1 Los relojes atómicos hacen uso de uno de los principios deducidos de la física cuántica, como es el de la oscilación energética de determinados átomos consecuencia de las transiciones energéticas entre dos niveles hiperfinos de su estado fundamental. Me imagino que algunos, al leer esto, diréis ¿eeeinnn? ¿lo cualoooo? Tranquilos, yo al principio de informarme sobre este asunto pensé lo mismo, por lo que para entenderlo se requiere un poco de paciencia (os recuerdo que etimológicamente las palabras paciencia y paciente, el término relativo al que sufre una enfermedad, son hermanas, con lo que, en definitiva, no conviene tener prisa, no hagamos como el del chiste: ¡Señor, Señor, dame paciencia, pero dámela ya mismo!). Así que si tenéis paciencia para seguir leyendo, intentaré explicarme.
El estado fundamental de un átomo es el que dispone del estado de energía más baja posible, en el que todos los electrones ocupan los orbitales de menor energía disponibles. Por contra, el estado excitado de un átomo es aquél en el que algunos electrones han “escalado” a un orbital de mayor energía al absorber energía en forma de fotones. Posteriormente, los electrones tienden a volver a sus orbitales más bajos y en esa transición liberan fotones. En principio, en un átomo en estado fundamental no se producen transiciones energéticas, son estables, pero hay algunas excepciones. En determinados átomos, como el cesio, por cuestiones de configuración atómica que solo se explican desde la física cuántica (relacionadas con el campo magnético generado por el electrón) no hay una estabilidad total, hay dos niveles de energía hiperfinos en los que el átomo va oscilando permanentemente, es decir se están produciendo transiciones energéticas entre estos dos niveles (que insisto, son hiperfinos).
Y resulta que estas transiciones son periódicas e increíblemente estables en el tiempo, de hecho se han podido medir y el resultado para el caso del Cesio-133 es de 9.192.631.770 ciclos por segundo, ni más ni menos que más de nueve mil millones de ciclos por segundo, y en esos más de nueve mil millones con una precisión calculada, ¡y medida!, hasta la unidad.
A ver, todo lo anterior es una explicación divulgativa muy general y, por tanto, de escaso rigor. En realidad la explicación del fenómeno de la “transición hiperfina” es muy compleja y solo se puede entender realmente desde la física cuántica (por ejemplo, véase la entrada de Wikipedia de transición hiperfina), lo que escapa del alcance divulgativo de este blog, además de que realmente se escapa a mis escasas entendederas porque tengo muy olvidada la física cuántica que estudié hace 40 años, ¡aarrrg, 40 años, que horror!, y no he vuelto a ver en mi vida, más allá de algunos chistes fáciles como el de ¿Por qué le llaman física cuántica? ¡Jodo, maño, porque solo la entienden unos cuanticos!”.
Pero todo lo anterior solo es para entender el fenómeno de la transición hiperfina desde la física teórica, luego hay otros procesos, ya propios de la física experimental y aplicada, para ser capaces de entender el cómo se realiza el proceso de medición temporal de dicha transición hiperfina y de ahí que seamos capaces de crear un reloj atómico que produzca una señal temporal estable en el tiempo. Esto todavía se escapa más del objetivo divulgador de este blog, pero simplemente quedaros con la idea de que desde la física teórica entendemos el proceso por el que hay una oscilación periódica de “algo” que es tremendamente estable en el tiempo. Y solo si entendemos este proceso podemos desarrollar técnicas propias de la física experimental para medir esa oscilación periódica y ser capaces, desde la física aplicada, con una tecnología ciertamente muy compleja, de generar un reloj estable que nos proporcione una hora exacta. Así, obtenemos un reloj atómico, que es producto de la ciencia básica teórica, ciencia básica experimental, ciencia aplicada y desarrollo tecnológico, para obtener, al final, un producto que nos da un servicio.
La historia de los relojes atómicos
Antes de entrar en la historia de los relojes atómicos, conviene centrarnos en la del concepto de segundo como unidad de tiempo en el Sistema Internacional de Medidas. Anteriormente el segundo se definía en función de las regularidades en las mediciones astronómicas. Primero se asoció la escala de tiempo al período de rotación de la Tierra, que se consideraba uniforme, definiéndose así el Tiempo Universal. Pero como en realidad la rotación terrestre no es del todo uniforme, principalmente por las interacciones gravitatorias mutuas entre el sistema de tres cuerpos formado por el Sol, la Tierra y la Luna, se recurrió a asociar la escala de tiempo de la Tierra con el del movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol, definiéndose así el Tiempo de Efemérides. Este es más preciso que el Universal pero también está sujeto a imprecisiones, ciertamente menores, pero que en sistemas críticos en cuanto a sincronización temporal son relevantes. Más tarde, en 1967, se definió el segundo como “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, con campo magnético cero”. En realidad, aunque esta definición del segundo como unidad de tiempo del Sistema Internacional de Unidades se acordó oficialmente en este año 1967, ya se venía usando el tiempo atómico desde mucho antes, esto no fue más que una protocolización de lo que “de hecho” se venía utilizando, que concluiría en 1972 con la oficialización del Tiempo Atómico Internacional, en el que la escala de tiempo se asoció con las transiciones en el átomo de cesio-133.
A nivel teórico, el primer estudio sobre la periodicidad de las oscilaciones del estado fundamental de determinados átomos fue realizado por el físico estadounidense de origen polaco Isidor Isaac Rabi (1898-1988), quien recibió el Premio Nobel de Física en 1944 por sus aportaciones en el estudio de la resonancia magnética nuclear y atómica. Hacia 1930 estudió las transiciones de energía atómicas mediante campos magnéticos y microondas, postulando que debería haber una gran regularidad en dichas transiciones. Posteriormente, en 1945 propuso en detalle una técnica para construir relojes atómicos basada en sus estudios previos.
Esta técnica propuesta por Rabi sirvió de base para construir en 1949 el primer reloj atómico por parte del físico-químico estadounidense Willard Frank Libby (1908-1980), quien recibiría el Premio Nobel de Química por sus desarrollos sobre el Carbono-14 como método de análisis temporal. Pero este primer reloj atómico no resultó más preciso de los de cuarzo que ya se venían utilizando.
En realidad el primer reloj atómico, basado en el cesio, que mejoraba claramente la precisión de los de cuarzo y que sirvió de base para desarrollos posteriores se construyó en 1957 por parte de los físicos británicos Louis Essen y Jack Parry en el National Physical Laboratory, situado en Londres.2
Más tarde, en 1964, la empresa Hewlett-Packard comenzó a instalar relojes de cesio montados bastidores con lo que se dio inicio a la generalización de esta tecnología (Timing: HP 5060A Atomic Clock).
Pues esta es la historia que os quería contar, principalmente el hecho de la importancia de la Física en el desarrollo de tecnologías, como la de los relojes atómicos, que son fundamentales para las telecomunicaciones. Como ya he señalado, soy consciente que todo lo anterior solo es una aproximación muy general que no permite entender en todo su significado la complejidad del asunto, para ello, por ejemplo, entre otras muchas páginas web os recomendamos hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, en concreto en la entrada dedicada al reloj atómico.
Os recordamos las anteriores entradas sobre física y telecomunicaciones: Física y telefonía: el transistor y Física Teórica y Telefonía. Y como ya he comentado anteriormente, próximamente habrá una nueva dedicada a la Teoría de la Relatividad y el GPS.
Por último, os dejamos aquí enlace a un vídeo sobre los relojes atómicos que nos ha gustado mucho, denominado «Este Reloj Solo Pierde 1 Segundo Cada Millón de Años”, del canal de Youtube Desglosando Todo
Notas:
1Lo que sigue es una síntesis tanto de información obtenida de Wikipedia como de la parte correspondiente del magnífico libro Ana Martín, Física cuántica de los cotidiano, Pinolia, 2025, capítulo 13 “De la rotación terrestre a los relojes atómicos: saca el GPS que me he perdido”, pp. 149-162, libro del que ya os hablamos en nuestra anterior entrada Física y telefonía: el transistor
2Vease, Michael A. Lombardi, “The Evolution of Time Measurement, Part 3: Atomic Clocks” IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2011
Historias de la telefonía y las telecomunicaciones en España 
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