10 fatos estranhos sobre relógios atômicos

O termo "relógio atômico" pode evocar imagens mentais assustadoras de filmes de terror dos anos 1950: um dispositivo do Juízo Final , construído por um maníaco vestindo jaleco em uma fortaleza na montanha, está marcando os segundos antes de destruir todo o nosso planeta. Na realidade, porém, os relógios atômicos são uma das invenções mais benignas que surgiram da explosão - opa, talvez não seja a melhor escolha de palavras - do conhecimento sobre o funcionamento do átomo e suas partes. Esse conhecimento veio na esteira do Projeto Manhattan da Segunda Guerra Mundial para desenvolver a bomba atômica.

Ao contrário da bomba , porém, os relógios atômicos não dividem os átomos e não explodem. Em vez disso, eles usam a oscilação - isto é, a mudança no fluxo de carga elétrica - entre o núcleo de um átomo e seus elétrons circundantes, da mesma forma que um relógio de pêndulo antiquado pode usar um pêndulo. Como a oscilação de um átomo envolve unidades de tempo incrivelmente pequenas - um átomo de césio, por exemplo, tem uma frequência de 9.192.631.770 ciclos por segundo - e é extraordinariamente consistente, um relógio ajustado para essa oscilação pode manter o tempo muito melhor do que aquele velho avô relógio [fonte: Britannica ].

É por isso que, desde sua invenção no final da década de 1940, os relógios atômicos se tornaram uma ferramenta fundamental em um mundo moderno dependente da tecnologia. Os relógios atômicos possibilitam sincronizar o tempo em sistemas complexos, desde a Internet até o sistema de Satélites de Posicionamento Global.

Mas para algo que se tornou uma parte tão normal e útil de nossas vidas, os relógios atômicos ainda permanecem um pouco misteriosos. Aqui estão alguns dos inúmeros fatos estranhos e surpreendentes sobre esses dispositivos úteis.

1. Os relógios atômicos mudaram a forma como calculamos as unidades comuns de tempo
2. Um relógio atômico usa um único elétron de cada átomo de césio para manter o tempo
3. Relógios atômicos são incrivelmente confiáveis ​​agora, mas os primeiros não eram
4. Césio, o material usado em relógios atômicos, é um elemento estranho
5. Um relógio atômico realmente usa um pedaço de quartzo, não um átomo de césio, para contar o tempo
6. Em 2008, um segundo foi adicionado simultaneamente a cada relógio atômico na Terra
7. Um relógio atômico foi usado para provar que quanto mais alto você vive acima do nível do mar, mais rápido você envelhece
8. Cientistas tornam relógios atômicos mais precisos usando raios laser
9. Relógios atômicos tornam suas conversas telefônicas compreensíveis
10. Um relógio atômico de próxima geração pode ser capaz de manter o tempo perfeito com o universo

Quando os humanos começaram a rastrear a passagem do tempo há milhares de anos, eles faziam isso observando o movimento aparente do sol no céu – que na verdade era devido à rotação da Terra – e baseando unidades de tempo nessa jornada. Tradicionalmente, por exemplo, um segundo era definido como 1/86.400 da duração média de um dia solar.

Mas com o advento dos relógios atômicos , que eram muito mais confiáveis ​​do que o próprio movimento da Terra, tornou-se necessário mudar esse padrão. Em 1967, o segundo foi redefinido como o tempo que um átomo do isótopo césio 133 levava para oscilar 9.192.631.770 ciclos [fonte: Sciencemuseum.org.uk ].

Como explicamos anteriormente, os elétrons orbitam o centro de um átomo , que é chamado de núcleo. Imagine uma versão extremamente pequena do nosso sistema solar, com planetas girando em torno do sol, e você terá uma ideia geral. Os físicos descobriram que os elétrons são incrivelmente regulares em seus movimentos - eles tendem a permanecer dentro de uma estreita faixa de órbitas, com a distância do núcleo determinada pela quantidade de radiação que estão emitindo em um determinado momento. A distância entre a órbita mais baixa e a órbita mais alta em que um elétron se move é a frequência.

No caso do césio, que é usado em relógios atômicos , os cientistas se concentram em apenas um dos 55 elétrons do elemento – o mais externo, que ocupa uma órbita visivelmente mais alta que o resto. A diferença de energia entre a órbita mais próxima do elétron mais externo ao núcleo e sua órbita mais distante corresponde a uma frequência de rádio de 9.192.631.770 ciclos. Essa é a parte que os cientistas realmente usam para calcular o tempo e dividi-lo em unidades incrivelmente breves de menos de um bilionésimo de segundo [fonte: Sciencemuseum.org.uk ].

Em 1948, o US National Bureau of Standards construiu o primeiro relógio atômico do mundo . Em vez de césio, o primeiro relógio usava átomos de amônia, que eram aquecidos e disparados de um tubo de cobre. Enquanto o primeiro relógio provou que o conceito de relógios atômicos funcionava, ele nunca foi realmente usado para manter o tempo. O primeiro relógio atômico estava atrasado cerca de um segundo a cada quatro meses. Isso o tornou menos confiável do que uma tecnologia existente, o relógio de quartzo , que media a oscilação de um pedaço de quartzo quando uma carga elétrica era aplicada a ele.

Eventualmente, os cientistas passaram a usar césio, que tinha oscilações mais curtas, e melhoraram o design de várias maneiras. Um modelo de 1959 conseguiu manter o tempo com um erro de um segundo a cada 2.000 anos e, em 1964, os relógios se tornaram tão precisos que levaram 6.000 anos para perder ou ganhar um segundo. Hoje, um relógio atômico de última geração estaria atrasado em apenas um segundo após 6 milhões de anos de uso [fonte: Sciencemuseum.org.uk ].

Para começar, às vezes é escrito "césio". O césio foi descoberto em 1860 por Robert Bunsen, mais conhecido pelos estudantes de química do ensino médio como o inventor do bico de Bunsen. E são coisas tão estranhamente fascinantes que no início dos anos 1990 inspirou a criação de um grupo de notícias na Internet, Alt.cesium, dedicado a "discussão, louvor, veneração e adoração, postagem de canções, poesia, histórias e parábolas de e sobre o mais sublime dos elementos" [fonte: Nelson ]. Comumente conhecido como "o outro metal dourado", é um dos três únicos metais que não são cinza ou prata brilhante (os outros dois são ouro e cobre) [fonte: Scientific American ].

O tipo de césio encontrado na natureza, césio 133, é muito difícil de localizar. A fonte natural que produz a maior quantidade é um mineral raro chamado polucita, que nos EUA é encontrado em minério do Maine e Dakota do Sul. Embora seja um metal, o césio derrete a uma temperatura muito baixa – 22,7 graus Celsius – e explode quando entra em contato com água fria [fonte: Argonne National Laboratory ]. No ar, às vezes pega fogo espontaneamente, queimando com uma chama azul-celeste brilhante [fonte: Nelson ].

Você provavelmente está um pouco intrigado com isso, já que passamos todo esse tempo dizendo o quanto um relógio atômico é mais preciso devido ao uso da oscilação do césio. Mas a parte do relógio que realmente marca o tempo é um oscilador padrão de cristal de quartzo, que submete um pedaço do cristal à corrente elétrica para fazê-lo vibrar. A diferença é que na maioria dos relógios de quartzo comuns, o oscilador é sintonizado com precisão quando o relógio é construído, mas sua frequência nunca é verificada ou ajustada depois disso, o que significa que, com o tempo, pequenas variações se desenvolvem que tornam o relógio um pouco rápido ou um pouco lento. Em um relógio atômico, no entanto, a oscilação do césio é usada para verificar a frequência do dispositivo de quartzo, que é o que dá ao relógio uma precisão tão incrível [fonte: Sciencemuseum.org.uk ].

Pouco antes das 19h de 31 de dezembro de 2008, os cientistas adiantaram os relógios atômicos ao redor do mundo exatamente um segundo, a fim de sincronizar o Tempo Universal Coordenado (UTC), o padrão internacional para relógios atômicos, com a rotação da Terra. Não eram os relógios que estavam desligados, mas sim o planeta, cuja velocidade de rotação é reduzida cerca de dois milissegundos por dia por uma variedade de freios: poeira espacial, tempestades magnéticas, ventos solares, resistência de sua própria atmosfera e, o mais importante, , o puxão da gravidade da lua sobre a Terra, que não apenas causa as marés oceânicas, mas também faz o planeta inteiro inchar.

O efeito de tudo isso é alongar o dia solar e afastá-lo ligeiramente em comparação com nossos relógios atômicos superprecisos. Levaria centenas de anos para que a discrepância se tornasse perceptível, de modo que a posição do sol no céu fosse diferente da hora no relógio de uma casa (que você provavelmente ajustou de acordo com o número de telefone da hora correto, que é baseado no UTC). Para evitar que isso acontecesse, em 1972, um acordo internacional decretou que os relógios atômicos seriam ajustados periodicamente em uníssono [fonte: Dowling ].

A ideia de que alguém que vive em uma montanha envelhece mais rápido do que uma pessoa que vive na praia pode parecer um pouco absurda, mas na verdade é a verdade. Este conceito foi proposto pela primeira vez há cerca de um século pelo físico Albert Einstein , cuja teoria da relatividade especial postulava que o tempo não é constante, mas relativo. (É por isso que eles chamam de relatividade.) Em 2010, James Chin-Wen Chou e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) realizaram um experimento para testar o raciocínio de Einstein. Eles posicionaram dois relógios atômicoscerca de 30 centímetros de distância acima do nível do mar, e descobriu que o mais alto dos dois relógios funcionava um pouco mais rápido. Em termos reais, porém, a diferença não seria perceptível; o morador da montanha envelheceria cerca de 90 bilionésimos de segundo mais rápido ao longo de uma vida de 79 anos, de acordo com Chou [fonte: Connor ].

Se você já viu aquela cena do filme "Goldfinger" em que o vilão ameaça cortar James Bond ao meio com um laser, provavelmente está se perguntando por que um laser não faria um buraco em um relógio atômico, em vez de tornando-o mais preciso. Mas ele realmente pode fazer o último. Tenha paciência conosco porque isso fica bem complicado.

Os relógios atômicos basicamente bombardeiam átomos de césio com micro-ondas para provocar alguma ação, que os cientistas podem então medir. A limitação dos relógios atômicos convencionais é que eles só podem capturar uma pequena porção dos átomos de césio com o micro-ondas. Ao submeter os átomos a um feixe de laser - um processo chamado bombeamento óptico a laser - você pode diminuir a velocidade dos átomos, o que dá às microondas mais chances de atingi-los. Isso, por sua vez, contribui para um sinal mais preciso, o que permite aos cientistas usar a oscilação do césio para marcar o tempo com ainda mais precisão. Estranhamente, o processo também esfria os átomos de césio, até alguns milionésimos de grau acima do zero absoluto na escala Kelvin [fonte: Buell e Jaduszliwer ].

Atualmente, as empresas de telecomunicações transmitem chamadas telefônicas em pedaços chamados pacotes, o que lhes permite bombear um grande número de conversas através de seus fios ao mesmo tempo. Quando você liga para alguém em outra cidade, suas palavras são divididas e transmitidas entre computadores em cada extremidade, que alternam entre uma conversa e outra, milhares de vezes a cada segundo. Para que isso funcione, no entanto, os dois computadores precisam ficar em perfeita sincronia, como um par de jogadores de pingue-pongue incrivelmente ágeis que podem acertar o equivalente a um caminhão de bolinhas um no outro a uma velocidade incrível e nunca perder uma. Se eles errarem, as chamadas ficarão confusas e parecerão sem sentido. É por isso que as empresas de telecomunicações hoje em dia têm seus próprios relógios atômicos para evitar que isso aconteça, mantendo os computadores quase perfeitamente sincronizados um com o outro o tempo todo [fonte: Sciencemuseum.org.uk].

Cientistas continuam sonhando com maneiras de fazer relógios atômicoscada vez mais precisos, mas pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade de Nevada recentemente propuseram um avanço verdadeiramente alucinante. Em termos muito simplificados, eis o negócio: eles querem usar lasers para reorganizar os pedaços de um átomo, para que possam usar um nêutron em órbita, em vez de um elétron, como o equivalente a um pêndulo. O resultado pode ser um relógio que seria 100 vezes mais preciso do que qualquer outro existente, tão preciso que só perderia ou ganharia menos de um vigésimo de segundo em 14 bilhões de anos. Considere isto: o próprio universo tem aproximadamente 14 bilhões de anos, então se este relógio de alguma forma pudesse ser enviado de volta em uma máquina do tempo para o momento do big bang que começou tudo, ele ainda estaria funcionando hoje,Ciência Diário ].

Nota do autor

Sempre fui fascinado por cronometragem e relógios, e como estudante do ensino fundamental na década de 1960, aprendi pela primeira vez sobre a maravilha dos relógios atômicos que podiam medir pequenas unidades de tempo com incrível precisão. Mas até eu começar a fazer pesquisas para esta peça, nunca tinha me ocorrido que fosse possível construir um relógio que fosse mais preciso para marcar o tempo do que a rotação da Terra. Mas como os relógios atômicos foram usados ​​para provar a teoria de Einstein de que o tempo é relativo à posição e à velocidade de uma pessoa, e não constante, tenho que me perguntar se realmente existe o tempo correto. Acho que vou usar isso como desculpa da próxima vez que me atrasar para um prazo!

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