// O cronometrista atômico
> Como um relógio atômico funciona - teoria
>P
adrões quânticos
Padrões quânticos são baseados em propriedades fundamentais da matéria. No caso do relógio
atômico, isso corresponde à energia emitida quando os elétrons saltam entre níveis de energia de um
átomo de césio. Usar a rotação da Terra para definir o segundo é um problema, porque essa rotação
varia de forma imprevisível com o tempo. Isso faria que a duração de um segundo feito por esse
modo não seria constante. Mas padrões quânticos serão, por tudo que sabemos até hoje, sempre
estáveis, não interessa onde ou quando são medidos. Milhares de anos no futuro, ou numa galáxia
distante, os níveis de energia do átomo de césio serão exatamente os mesmos e da mesma maneira
a duração do segundo definido por ele.
> Po
r que precisamos dessa exatidão
dos relógios atômicos?
Nível de energia 2
Elétron “pula” para
um nível de energia
Radiação
Eletromagnética
Nível de energia 1
O estado fundamental
Núcleo
Numa visão simplificada, podemos ver o átomo como um mini-sistema solar, com o núcleo mais pesado
ao centro, circulado pelos elétrons em diversas órbitas. As órbitas correspondem a diversos níveis
de energia, e os elétrons podem se mover entre estes níveis de energia quando eles absorvem ou
emitem exatamente a quantidade correta de energia. Essa energia é absorvida ou emitida sob a forma
de radiação eletromagnética, cuja frequência depende da diferença de energia entre os dois níveis.
Dessa transição vem o nome de “salto quântico”, quântico aqui se referindo à minúscula, mas muito
precisa, quantidade de energia necessária para permitir que o elétron salte para um nível diferente. Se
medirmos a frequência da radiação eletromagnética, como fazemos quando contamos as oscilações de
um pêndulo, podemos medir o tempo.
>Q
uanto demora um segundo?
O segundo é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os
dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.
Medir o tempo tornou-se uma questão
básica de nosso cotidiano, e a exatidão no
minuto seguinte ou em poucos segundos
normalmente é importante para muitas
das nossas atividades. Contudo, medidas
com grande exatidão podem ter um papel
fundamental em muitos aspectos e situações
do mundo moderno.
Os satélites do Sistema de Posicionamento
Global (GPS, na sigla em inglês) irradiam
sinais de tempo de relógios atômicos que
estão a bordo deles. Estes sinais permitem a
veículos terrestres, navios e aviões conhecer
sua posição com poucos metros de diferença.
Outras pessoas, como ecologistas, utilizam o
GPS para rastrear os movimentos de animais
raros. Também pesquisadores, agrimensores,
montanhistas e equipe de busca e
salvamento. Estão em andamento pesquisas
para fazer os sistemas de localização com
exatidão de milímetros.
A disseminação de tempo oficial no Brasil é feita
pelo Observatório Nacional, um dos institutos
de pesquisa do CNPq, ligado ao Ministério da
Ciência e Tecnologia. Existem diversos serviços
rastreados ao ON, um dos mais conhecidos é
o serviço pelo telefone 130. Esse serviço tem
cobertura nacional mas é cobrado por algumas
operadoras de telefonia. Você pode acessar a
hora oficial do Brasil e ver outros serviços em:
http://www.horalegalbrasil.mct.on.br/
De uma chamada telefônica à surfar
na internet, telecomunicações tem sua
confiabilidade baseada em medidas de tempo
com grande exatidão, para garantir que
as mensagens digitais são corretamente
entregues em seus destinos. Marcar o tempo
nas transações financeiras é crítico, quando
milhões e milhões de reais são transferidos.
3.500 AC
Relógios solares
Século XVII
Relógios de pêndulos
1762
Cronômetro de Harrison
1930
Rotação da Terra
1930
Relógio de quartzo
1955
Relógio atômico
± 10 segundos por dia
± 1 segundo em 3 dias
± 1 segundo em 3 anos
± 1 segundo em 30 anos
> Co
mo um relógio atômico funciona – prática
O primeiro relógio atômico foi construído em 1949 nos Estados Unidos. Uma versão aprimorada,
baseada na transição do átomo de césio 133 foi construído por Louis Essen em 1955 na Inglaterra.
Hoje em dia, uma nova forma de relógio atômico – tipo chafariz de césio – está em uso. Nele, uma
nuvem de átomos é projetada dentro de uma câmara de micro-ondas e caem sob ação da gravidade.
O chafariz usa feixes de laser para desacelerar os átomos. O movimento mais lento dos átomos permite
uma medida mais exata da transição entre os níveis de energia e portanto da frequência da radiação.
> A nova geração
> Como você mede o tempo em volta do mundo?
Todas as pessoas ao redor do mundo
precisam estar de acordo sobre a medida
de tempo. O Tempo Universal Coordenado
(sigla em inglês UTC) foi adotado em primeiro
de janeiro de 1972 como o tempo oficial do
Mundo. O Bureau Internacional de Pesos e
Medidas – BIPM atua como o cronometrista
oficial do mundo. Existem 65 laboratórios
com cerca de 230 relógios contribuindo
> Acesse a Hora Legal
Brasileira: UTC (ON)
para definir a escala de tempo internacional.
Enquanto o BIPM conta os segundos,
astrônomos ainda continuam medindo o
tempo pela rotação da Terra em torno de seu
eixo. Essa medida é comparada com o UTC e,
se essas medidas diferirem de mais do que
0,9 segundos, um salto de um segundo é
adicionado ou subtraído, de forma a manter
as duas escalas juntas.
Relógios para o século XXI estão sendo
desenvolvidos a partir de armadilhas de
íons. Íons são átomos carregados que podem
ser aprisionados quase indefinidamente por
campos eletromagnéticos. Uma vez preso,
um feixe de laser pode ser então usado para
resfriar o íons até temperaturas próximas
do zero absoluto, mantendo-o estacionário.
Em São Carlos/SP, no Centro de Pesquisa em
Óptica e Fotônica do Instituto de Física da USP/
SC, estão sendo desenvolvidas pesquisas e já
se construiu um relógio atômico com incerteza
de cerca de 1 segundo em cada 3 bilhões de
anos, tempo da ordem do universo.
Fonte de Césio
A rotação da Terra nos dá a mais básica medida do tempo: o
dia. Por milhares de anos, este foi nosso mais estável cronometrista.
Contudo, os relógios de quartzo e o atômico, inventados durante os
anos 30 e 50, são cronometristas muito melhores, pois nos mostram
que a Terra não gira de forma estacionária, mas oscila! Os primeiros
relógios atômicos, construídos com césio, aplainaram o caminho para
novas e melhores definições do segundo, baseadas nas propriedades
fundamentais dos átomos.
A linha do tempo
1980
2004
± 1 segundo em 300 anos
± 1 segundo em 300.000 anos
Chafariz de Césio
± 1 segundo em 60 milhões de anos
Os direitos de tradução e adaptação foram gentilmente cedidos pelo National Physical Laboratory - NPL do Reino Unido.
Tradução e adaptação organizada pelo Centro de Capacitação - CICMA do Inmetro.
Todos os direitos reservados de acordo com a legislação em vigor.