A maioria dos relógios que as pessoas usam para dizer as horas são precisos dentro de 10 ou 15 segundos a cada mês. Os relógios mecânicos de fantasia (como um Rolex) estarão desligados por mais – um segundo ou dois a cada dia. Os cientistas precisam de algo muito mais preciso e preciso, porque os fenómenos que medem duram frequentemente apenas milionésimos de segundo.
É aí que entra o relógio atómico. A primeira versão precisa foi construída em 1955. Os relógios atómicos mantêm o tempo medindo as oscilações dos átomos à medida que estes mudam de estado de energia. Cada elemento tem uma frequência característica ou conjunto de frequências, e desde que o átomo “bate” bilhões de vezes por segundo, tais relógios são muito precisos. No Instituto Nacional de Normas e Tecnologia, o segundo “oficial” é de 9.192.631.770 ciclos de um átomo de césio. (O quartzo de um relógio oscila cerca de 32.000 vezes por segundo, cerca de 290.000 vezes mais lento que os átomos de césio.)
Os cientistas falam de relógios atómicos em termos de estabilidade e precisão. Para um relógio atómico, a precisão é a forma como mede bem as vibrações dos átomos. Comparando dois relógios, os cientistas podem medir a incerteza na leitura dessa frequência – quão preciso é um relógio. A estabilidade é o quanto os ticks de um relógio variam ao longo de um determinado período de tempo. Em média, um grande número de carrapatos, digamos, 100.000 deles, e você terá um número que pode ser medido em relação ao tempo real que o relógio mantém. Os cientistas geralmente se referem à precisão quando dizem que um relógio é tão preciso que vai ganhar ou perder um segundo ao longo de milhões de anos. Quando falam de precisão, os cientistas normalmente se referem ao quão bem um relógio corresponde a uma determinada referência padrão, então nesse sentido o relógio mais preciso é sempre aquele com o qual eles definem o segundo padrão.
Tom O’Brian, chefe do NIST Time & Divisão de freqüência, notou vários tipos de relógios atômicos: O usado para determinar o segundo padrão é baseado em átomos de césio, mas outros tipos usam estrôncio, alumínio ou mercúrio. Alguns usam hidrogênio. Para maior precisão ainda, os últimos relógios atómicos super-arrefecem os átomos neles para eliminar quaisquer perturbações do calor ambiente.
O maior comprador de relógios atómicos, a indústria das telecomunicações, utiliza-os para sincronizar interruptores de fibra óptica e torres de telemóveis, disse O’Brian. Os relógios atômicos também são usados no sistema GPS para medir com precisão o tempo dos sinais e para relatar a posição de uma pessoa em relação aos satélites.
Aqui estão alguns dos relógios mais precisos já construídos, mas O’Brian observou que a tecnologia está melhorando o tempo todo, e os cientistas estão tentando fazer medições cada vez mais precisas do tempo.
1. O NIST F2
Primeiro colocado em linha em 2014, este relógio, juntamente com o seu antecessor, o NIST F1, ajuda a determinar o segundo padrão utilizado pelos cientistas de todo o mundo. O NIST F2 também sincroniza as telecomunicações e até mesmo a negociação nos mercados financeiros para a hora oficial do dia. O relógio usa um conjunto de seis lasers para resfriar os átomos (cerca de 10 milhões deles), enquanto outro par de lasers eleva suavemente os átomos para cima dentro de uma câmara cheia de radiação de microondas. A freqüência da radiação que altera os estados da maioria dos átomos é o que o NIST usa para definir segundos. Sua precisão vem em parte porque opera a um frio menos 316 graus Fahrenheit (menos 193 graus Celsius); as condições frias ajudam a proteger os átomos de césio do calor perdido que poderia alterar as medidas das oscilações do átomo. Este relógio ganhará ou perderá um segundo aproximadamente uma vez a cada 300 milhões de anos.
2. Universidade de Tokyo/ RIKEN
Construído por uma equipa liderada por Hidetoshi Katori, este é um relógio atómico com treliça óptica. Ele usa átomos de estrôncio presos entre feixes de laser e resfriados a menos 292 F (menos 180 C). Os relógios de malha óptica medem as oscilações dos conjuntos de átomos aprisionados, e assim podem calcular a média de qualquer erro. Sua incerteza, relatada na revista Nature Photonics, em 9 de fevereiro, é de 7,2 x 10^-18, que é cerca de um segundo a cada 4,4 bilhões de anos; os pesquisadores disseram que foram capazes de rodar dois relógios do mesmo tipo para chegar a 2.0 x 10^-18, ou cerca de um segundo a cada 16 bilhões de anos.
3. O relógio de estrôncio NIST / JILA
NIST e JILA, um instituto conjunto da Universidade do Colorado, Boulder, construíram um relógio de malha de estrôncio que atingiu uma precisão de 1 segundo a cada 5 bilhões de anos. A equipe, liderada pelo físico Jun Ye, publicou seu trabalho em 2014, e conferiu os resultados ao comparar seu relógio com outro como ele. O’Brian disse que o NIST planeja outra experiência de relógio para empurrar isso ainda mais longe, para superar a estabilidade do relógio construído pela equipe do Katori no Japão. O relógio funciona prendendo átomos de estrôncio com lasers em uma espécie de espaço em forma de panqueca. Uma luz laser vermelha ajustada a uma certa frequência faz os átomos saltar entre os níveis de energia, e esses saltos são os “ticks” – cerca de 430 trilhões a cada segundo.
4. O Relógio de Lógica Quântica de Alumínio
NIST não usa apenas átomos de estrôncio e césio. Em 2010, o NIST construiu um relógio atômico que usava um átomo de alumínio, com uma precisão de um segundo por 3,7 bilhões de anos. Este utiliza um único átomo de alumínio preso em campos magnéticos, com um único átomo de berílio. Os lasers arrefecem os dois átomos até quase ao zero absoluto. Outro laser está sintonizado com a frequência que faz com que o alumínio mude de estado. Mas os estados de alumínio são difíceis de medir com precisão, então o alumínio é acoplado ao átomo de berílio. Este é um processo similar ao usado em configurações de computação quântica.
5. O relógio mecânico de Shortt-Synchronome
Relógios atómicos ficam com toda a glória, mas O’Brian disse que antes de chegarem os cientistas ainda tinham de usar relógios mecânicos – e alguns eram bastante precisos. O relógio curto, inventado em 1921, era um instrumento científico padrão nos observatórios até que os relógios atómicos o substituíram. O relógio era na verdade um sistema duplo, consistindo de um pêndulo em um tanque de vácuo ligado por fios elétricos. O relógio secundário enviava um pulso elétrico a cada 30 segundos para o primário, para garantir que os dois ficassem sincronizados, e o pêndulo no vácuo era feito de uma liga de níquel e ferro para reduzir qualquer expansão térmica, o que alteraria o comprimento do pêndulo e, portanto, o seu balanço. O relógio é tão preciso que o pêndulo pode ser usado para medir os efeitos gravitacionais do sol e da lua, e foi este instrumento que mostrou que a rotação da Terra não era, de fato, uniforme. Testes no Observatório Naval dos EUA nos anos 80 mostraram que o relógio tinha uma precisão de 1 segundo em cerca de 12 anos.
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