O futuro da medição do tempo - A tecnologia de vácuo é essencial para relógios atómicos óticos

O futuro da medição do tempo - A tecnologia de vácuo é essencial para relógios atómicos óticos

Câmaras de vácuo contendo átomos livres flutuantes são parte central da tecnologia de ponta da actualidade de medição precisa do tempo. Os impulsos de laser funcionam como um gerador de tempo para a geração mais recente de relógios atómicos. São incrivelmente precisos.

O que é o tempo? Nem os físicos nem os filósofos conseguem responder a esta pergunta. Mas isso não impede as pessoas de o dividirem em intervalos e de o medirem com a maior precisão possível. Os relógios de sol da antiguidade ou os relógios de torre mecânica da Idade Média foram importantes fases de desenvolvimento para a forma como medimos o tempo. Um dos principais avanços técnicos foi alcançado pelo matemático e físico Christian Mugens no século XVII. O seu relógio de pêndulo dividiu pela primeira vez de forma precisa o tempo em horas, minutos e segundos. Desde então, foram desenvolvidas ferramentas de medição cada vez mais precisas. Hoje em dia, os relógios atómicos de césio constituem a base do tempo universal oficial normalizado e perdem apenas um segundo a cada 30 milhões de anos.

Os relógios atómicos de césio contabilizam o tempo do mundo

Estes relógios modernos não têm pêndulos nem ponteiros. Em vez disso, os átomos de césio assinalam o tempo decorrido. São aquecidos até ferverem e, em seguida, passam para um tubo com alto vácuo. A baixa pressão garante que os átomos não se tocam e que passam pela câmara com alta energia. Os átomos são então expostos a radiação de micro-ondas. A frequência certa, referida pelos físicos como a frequência de ressonância, altera o estado de energia de alguns dos átomos. São "excitados" e contabilizados por um detetor.

Agora, as frequências de micro-ondas são ajustadas até que o estado de energia do maior número possível de átomos de césio mude. Isto ocorre de forma fiável aos 9.192.631.770 Hertz - mais de nove mil milhões de oscilações por segundo, portanto. Inversamente, passa um segundo quando este número é atingido. Assim sendo, esta é a base para definir a duração de um segundo no Sistema Internacional de Unidades (SI).

Ainda mais precisão com lasers

Além dos relógios de radiação de césio, os relógios de fonte de césio também são usados como relógios de referência para o tempo universal de hoje em dia. Nestes relógios, os átomos de césio são introduzidos na câmara de vácuo - de uma forma que se assemelha a uma fonte - antes de serem irradiados com micro-ondas. Dado que a frequência de ressonância dos átomos pode ser determinada com maior precisão usando este truque, os relógios de fonte perdem, no máximo, apenas um segundo a cada 40 milhões de anos.

Os relógios atómicos óticos que utilizam átomos de estrôncio ou de itérbio, por exemplo, são ainda mais precisos. Em vez de micro-ondas, os átomos são excitados com lasers, também em ultra alto vácuo. A frequência de luz que resulta quando um átomo muda o seu estado de energia serve como referência para a duração de um segundo. A frequência é maior e a frequência de transição de eletrões é mais rápida, pelo que o tempo pode ser dividido em intervalos ainda menores. Os relógios óticos "batem" muito mais rápido e em intervalos mais exatos que os relógios de césio. Eles podem tornar-se os novos relógios para o tempo universal, tornando necessário redefinir a unidade de tempo que conhecemos como um segundo. Independentemente do processo, todos os tipos de relógios atómicos requerem uma câmara de vácuo para os seus átomos de referência.


Quase ninguém está ciente do facto de que os relógios atómicos há muito que marcam o ritmo da nossa vida quotidiana, por exemplo definindo o tempo para relógios com controlo de rádio e relógios nas estações ferroviárias. Os sistemas GPS não seriam capazes de garantir uma navegação fiável sem os relógios atómicos: Os recetores de GPS, como os existentes nos nossos carros, registam constantemente informações de satélites GPS que transmitem a sua posição e tempo. O recetor usa dados de três satélites para encontrar a posição exata calculando a diferença entre a transmissão e a receção dos sinais. Um desvio de apenas um milionésimo de segundo provocaria um desvio na leitura de 300 metros.

Os relógios atómicos também são necessários para sincronizar redes de dados de alta velocidade. As longas linhas de transmissão de fibra ótica têm de coordenar de forma muito precisa o envio e a receção de dados para evitar o caos.

A medição de tempo hiper-exata também é necessária para aplicações geodésicas e investigações básicas. A nova geração de relógios atómicos ajuda a medir o princípio de Einstein sobre como o tempo é esticado pela gravidade da Terra, ou pode ajudar-nos a localizar matéria negra.


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