De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los átomos absorben o emiten energía electromagnética en cantidades diferenciadas que se corresponden con las diferencias de energía entre las distintas configuraciones de electrones de los átomos, es decir, las distintas configuraciones de electrones que rodean sus núcleos. Cuando un átomo sufre una transición de un "estado de energía" a otro más bajo, emite una onda electromagnética con una frecuencia característica discreta, conocida como frecuencia de resonancia. Estas frecuencia de resonancia es idéntica en todos los átomos de un tipo determinado; por ejemplo, todos los átomos de cesio 133 tienen una frecuencia de resonancia de exactamente 9.192.631.770 ciclos por segundo. Por esta razón, es posible utilizar un átomo de cesio como metrónomo que proporcione la hora con extraordinaria precisión.

El primer progreso sustancial en el desarrollo de un reloj basado en dicho cronómetro atómico se consiguió durante la década de 1930 en un laboratorio de la Universidad de Columbia, en el que I.I. Rabi y sus alumnos estudiaban las propiedades fundamentales de átomos y núcleos. Durante el transcurso de esta investigación, Rabi inventó la técnica conocida como resonancia magnética, que permitía medir las frecuencias de resonancia naturales de los átomos. Rabi recibió por su trabajo el premio Nobel en 1944. En ese mismo año, Rabi sugirió (o, como dijeron sus estudiantes, "dejó caer la idea") por primera vez que la precisión de estas resonancias era tal que podrían utilizarse para crear un reloj de extrema fiabilidad. Concretamente, propuso el uso de las frecuencias del tipo conocido como "transiciones hiperfinas" de los átomos, que son transiciones entre dos estados de energías ligeramente diferentes que se corresponden a distintas interacciones magnéticas entre el núcleo de un átomo y sus electrones.

En este tipo de reloj, un haz de átomos con un estado hiperfino determinado atraviesa un campo electromagnético oscilante. Cuanto más próxima esté la frecuencia de oscilación del campo a la frecuencia de la transición hiperfina del átomo, habrá mayor cantidad de átomos que absorban la energía del campo y, por lo tanto, sufrirán una transición del estado hiperfino original al otro. Un bucle de retroalimentación ajusta la frecuencia del campo oscilante hasta que prácticamente todos los átomos realicen la transición. El reloj atómico emplea la frecuencia del campo oscilante, que ahora se encuentra perfectamente sincronizada con la frecuencia de resonancia exacta de los átomos, como metrónomo para generar impulsos de tiempo.

Rabi no perseguía el desarrollo de un reloj de este tipo, pero hubo otros investigadores que continuaron el estudio para mejorar la ida y perfeccionar la tecnología necesaria. En 1949, por ejemplo, la investigación llevada a cabo por Norman Ramsey, alumno de Rabi, sugirió que si se hacía que los átomos atravesaran el campo magnético oscilante dos veces, se podría obtener un reloj mucho más preciso. Ramsey recibió el premio Nobel por su trabajo en 1989.

Dos científicos pioneros cuyo trabajo contribuyó al desarrollo del sistema de posicionamiento global GPS: la investigación de I.I. Rabi, a la izquierda, sobre las propiedades fundamentales de los átomos y núcleos, condujo a la invención de una técnica denominada resonancia magnética en la que se basó el primer reloj atómico; a la derecha, Norman Ramsey, antiguo alumno de Rabi, que estableció la base para el desarrollo del reloj atómico de haz de cesio e inventó el máser de hidrógeno, dispositivos que redefinieron la medición del tiempo.

The National Academies

|