Aprimorar o sistema de medida do tempo é seu principal objetivo e, durante muitos anos de pesquisa, isso vem sendo conseguido com êxito. Abaixo, conheça um pouco mais sobre o relógio atômico, o principal responsável por tornar nossos segundos cada vez mais perfeitos
Imagine a seguinte situação: todos os relógios do mundo, ao mesmo tempo, param. Como você faria para saber qual a hora correta? Mesmo nos guiando pelo nascer ou pôr do Sol, não teríamos essa informação 100% precisa, correto?
Em uma situação hipotética como essa (que é pouco provável, mas não impossível), a ausência da hora certa não traria como consequência, apenas, nosso “desnorteamento”. O tique-taque constante do mundo mantém satélites em atividade e, por sua vez, possibilitam o funcionamento de GPS, a internet sincronizada e medidas de alta resolução em vários campos da ciência, só para citar alguns exemplos.
Os responsáveis por manter o tempo devidamente “cronometrado” são os conhecidos “relógios atômicos”. Seu funcionamento é regulado por feixes de luz, geradores de micro-ondas e, naturalmente, átomos de referência.
O primeiro relógio atômico foi construído nos EUA, em 1945. No Brasil, o funcionamento de relógios de laboratório teve início na década de 90, no Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), onde três deles foram construídos e, até hoje, continuam operando e sendo constantemente aperfeiçoados. “No IFSC, esse relógio é consequência de uma linha de pesquisa muito forte em física atômica, no Grupo de Óptica, o que deu muito know-how para que houvesse uma linha de pesquisa voltada à aplicação”, explica Daniel Varela, docente da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP) e um dos responsáveis, junto ao professor do IFSC, Vanderlei Salvador Bagnato, por “tomar conta” do relógio atômico instalado no Instituto. “As pesquisas em física atômica são parte do alicerce para o funcionamento desse relógio. Muitas pesquisas em Metrologia Científica e Legal só podem ser realizadas, atualmente, por informações fornecidas pela física atômica”.
Alguns relógios atômicos funcionam na frequência de micro-ondas, outros em frequência óptica (muito mais elevada), mas, ainda assim, por transição atômica. Nem toda transição atômica serve para esse objetivo, por isso é que somente alguns elementos dão viabilidade ao processo. “É o que chamamos de elegibilidade. Um fator fundamental é o tempo de vida no estado excitado dessa transição; se for muito curto, a resolução para enxergar a transição é muito baixa”, explica Varela.
Entre os tipos existentes de relógio atômico, o mais comum é aquele com funcionamento por átomos de Césio 133. O átomo – com suas transições características – possui frequências espectroscópicas: algumas de luz visível, outras de comprimento de ondas de rádio e outras entre os dois.
Para descobrir a ressonância atômica do Césio, por exemplo, é preciso medir suas frequências ressonantes, ou seja, o momento em que os átomos passam para seus estados excitados. Isso é conseguido através de uma cadeia de osciladores de quartzo (similares aos dos relógios comuns) e dielétricos, que ajusta os mecanismos e envia ondas para lançar frequências próximas àquelas que o Césio pode absorver. Depois disso, os átomos excitados são identificados por um detector (que mostra ao oscilador o quanto sua frequência está próxima da frequência correta). Essa cadeia, agora devidamente ajustada pelos átomos, é que marcará os segundos corretamente, com precisão melhor que bilionésimos. “No laboratório, chamamos de ‘relógio’ para simplificar, pois, na realidade, ele é um ‘padrão atômico de frequência’. O relógio é um sistema que contém um padrão de frequência e um elemento de contagem, este último para contar o número de ‘tiques’ desse padrão e, realmente, marcar a hora”, explica o docente.
O objetivo principal – e contínuo – do relógio atômico é criar parâmetros cada vez melhores de frequência. Isso quer dizer que se buscam formas para medir o tempo com melhor precisão.
No caso em questão, unidade de tempo é definida como a frequência associada à energia de transição dos dois níveos do átomo de Césio 133.
O Césio, embora o elemento mais popular para “alimentação” do relógio atômico, nem sempre é o único utilizado. Estrôncio, Cálcio e Rubídio, por exemplo, também são usados para realizar as transições. “Atualmente, o metro é a medida utilizada para velocidade da luz. Aqui se tem uma medida de tempo junto com outra de deslocamento. Estamos traçando rotas para buscar unidades cada vez melhor estabelecidas, baseadas numa unidade de referência, no caso a de tempo”, conta Daniel.
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Para entender a super precisão do relógio atômico Não podemos ficar à mercê dos relógios convencionais para medir o tempo. Uma bateria esgotada pode ser o suficiente para ficarmos na mão. Num primeiro momento, pensaríamos em nos guiar pelo movimento de rotação da Terra. Mas, ele atrasa mais do que deveria: um segundo por ano. Com esses parâmetros em mente, fica mais fácil entender por que o relógio atômico é tão prestigiado, entre outros tópicos, quando se fala em precisão. Para atrasar um segundo, ele precisa de 30 milhões de anos. Isso foi o que pesquisadores europeus e americanos descobriram o ano passado, quando mediram a precisão do relógio atômico denominado CsF2 (Chafariz de Césio), localizado na Grã-Bretranha, que acabou ganhando o patamar de mais preciso do mundo. |
Embora outros elementos já estejam disponíveis para manter as atividades dos relógios atômicos, o Césio ainda se mostra o mais eficiente. “Atualmente, várias discussões giram em torno do melhor átomo a ser usado. Mas, nos perguntamos: ‘Vale a pena? Será que na hora de fazer a divisão, teremos perdas? Será que consigo ‘rodar’ esse sistema, ininterruptamente, por vários meses?’. A elegibilidade não leva em conta, apenas, a medida de alguns minutos”, diz Daniel.
Fora isso, alguns cuidados precisam ser tomados para que um relógio atômico mantenha-se em funcionamento. Vibrações mínimas podem causar danos elevados à sua precisão.
Ao cotidiano
Redes de telecomunicação, por exemplo, tem seu funcionamento cada vez mais eficiente graças aos relógios atômicos. “Se quero que a velocidade da internet em minha casa seja de 10 Gb, por exemplo, é preciso qualidade no sinal de referência. Se não tiver, a informação chega incorreta ou o filtro não deixa essa informação passar o que, além de tudo, pode tornar a internet mais lenta”.
No final das contas, tudo tem a ver com uma boa referência. Um avião, ao se deslocar no céu, precisa saber as posições exatas nas quais deve navegar. Se um sinal de satélite chega ao seu GPS com três nanossegundos de atraso significa erro de um metro em sua posição. Impossível imaginar uma situação dessa como corriqueira.
O mundo todo abriga cerca de 400 relógios atômicos. Nove deles estão localizados no IFSC: seis comerciais (utilizados nos experimentos), um de feixe térmico de átomos (atualmente com operação suspensa), o chafariz de átomos frios e o (denominado pelos pesquisadores do Instituto) compacto, este último, em um futuro próximo, transportável ou móvel. “Ele poderá funcionar durante o trajeto, inclusive. Pode ser colocado em um submarino ou avião. É nisso que temos trabalhado, ultimamente”, conta o docente.
O chafariz, por outro lado, não pode ser movimentado. Foi construído para estar fixado em algum lugar. Ao mesmo tempo, é mais preciso do que o compacto. “Com o chafariz, podemos chegar a uma resolução quase mil vezes melhor do que os relógios comerciais e 50 vezes melhor do que o compacto” compara Daniel. Portanto, o foco do trabalho desses pesquisadores é juntar a precisão e mobilidade em um único relógio.
A boa notícia é que diversos grupos de estudo, no mundo todo, trabalham, constantemente, para que tais relógios continuem sendo aperfeiçoados. Nessa corrida “a favor do tempo”, os relógios atômicos, dificilmente, nos deixarão perdidos. Afinal, imagine, hoje, sua vida sem internet ou sem aviões bem direcionados? Perder o tempo, efetivamente, está fora de cogitação.
Para entender melhor o funcionamento do relógio atômico, clique aqui.
Assessoria de Comunicação
