Relógios atômicos: Medindo o segundo

Esse texto foi escrito pela nossa escritora convidada Muriel A. de Souza Lobo, pesquisadora na Divisão de Metrologia em Tecnologia da Informação e Telecomunicações do Inmetro e aluna de doutorado do Instituto de Física da UFRJ.

O segundo, a unidade de tempo, é uma das sete grandezas fundamentais do Sistema Internacional de Unidades (SI). Primeiramente o segundo foi conhecido como sendo uma fração de 1/86400 do dia médio solar. Entretanto, essa definição era insatisfatória devido às flutuações nos movimentos de rotação e translação da Terra.

Em 1967/68 houve um encontro, a 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), no qual foram discutidos vários assuntos relacionados à Metrologia, entre eles, o tempo. Foi então definido que o segundo passaria a ser baseado na transição entre dois níveis de energia de um átomo e o Césio (Cs133) foi o escolhido[1]. Ou seja, o segundo agora é definido como sendo a oscilação natural do Césio, que tem alta frequência e é muito mais estável.

Visando melhorar a precisão do segundo, foram desenvolvidos relógios atômicos (recebem esse nome porque trabalham manipulando átomos) que hoje em dia conseguem medir com uma incerteza de 10-18 s, ou seja, esse relógio atrasa 1 s a cada 31 bilhões de anos[2].

Pesquisadora Muriel regulando o relógio atômico de feixe térmico do laboratório de Divisão de Metrologia em Tecnologia da Informação e Telecomunicações (Dimci/Dmtic).

Como o segundo é medido?

Antes de entender o funcionamento de um relógio atômico, precisamos relembrar alguns conceitos importantes, vamos lá! Um átomo possui um núcleo e uma eletrosfera, que é uma região composta por elétrons que ficam orbitando o núcleo. Essa eletrosfera é composta por diversas camadas, onde os elétrons podem ser encontrados. Um átomo em seu estado fundamental possui elétrons orbitando em camadas específicas. Se fornecermos energia (enviando um fóton, por exemplo) a um elétron, ele pode sair de sua camada e ir para uma outra camada de maior energia e o átomo agora deixa de estar no estado fundamental e passa para o estado excitado. Mas, para que isso ocorra, a energia que o elétron vai receber tem que ser igual à diferença de energia entre a camada que ele estava e a camada para o qual o elétron “pulou”.

Outro conceito importante é que energia e frequência são diretamente proporcionais, ou seja, quanto maior a frequência, maior a energia. A equação que relaciona as duas é: E = h · f, onde h é um valor constante.

Agora sim os relógios atômicos…

Existe uma relação entre tempo (t, cuja unidade de medida é o segundo) e frequência (f): t = 1/f. A definição do segundo corresponde a uma determinada transição de um dado elétron no átomo de Césio. Mas então, como funcionam os relógios atômicos?

Existem vários tipos de relógios atômicos, mas todos eles utilizam os mesmos princípios básicos:

  • Medição:
    • Os átomos de Cs são preparados e enviados para uma cavidade;
    • Nessa cavidade esses átomos recebem energia com uma determinada frequência;
    • Após passar pela cavidade e receber energia, eles são detectados;
  • Correção
    • Os elétrons dos átomos que foram preparados só irão sofrer transição (pular para outra camada) se a energia recebida corresponder exatamente à diferença de energia entre as camadas. Por isso, a energia fornecida aos elétrons na cavidade é variada até que seja detectado um número máximo de átomos que sofreram essa transição;
    • Portanto, essa energia fornecida tem frequência igual à frequência de transição do átomo de Cs;
    • Esse valor de frequência é então enviado a um contador que irá transformar a frequência (f) em tempo (t).
    • E esse tempo é o famoso segundo.

Acompanhe o vídeo do Centro de Pequisas de Ótica e Fotônica (CePOF) de São Carlos para uma melhor compreensão.

É importante observar que essa transição citada do átomo de Césio, é para um determinado elétron de uma específica camada.

Inúmeras áreas de pesquisa e tecnologia necessitam da medida de tempo com altíssima precisão, como por exemplo: o mercado financeiro (para garantir precedência na negociação de ações em transações de alta frequência), o Instituto Nacional de Tecnologia da Informação (ITI) para emissão de carimbo de tempo (uma espécie de selo que atesta a data e a hora exatas da emissão de um documento eletrônico), sistemas de monitoramento e posicionamento como o GPS (norte-americano) e o Galileo (pertencente à União Europeia)[3].

Atualmente existe mais de 400 relógios atômicos no mundo todo que contribuem para o Tempo Atômico Internacional (TAI), usado para determinar o Tempo Universal Coordenado (UTC), que “coordena” o tempo do mundo todo. Aqui no fuso horário de Brasília, pertencemos ao UTC -3, ou seja, 3 horas a menos do UTC 0 (Greenwich).

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Referências

[1] 2014. Bureau international des poids et mesures. Unit of time (second).

[2] 2016. Nathan Hinkley. An Atomic Clock for 10^-18 Timekeeping. University of Colorado at Boulder

[3] 2017. Inmetro – Na Medida. Sem Tempo a Perder.

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