Relógio atômico: como funciona o relógio mais preciso do mundo

O relógio atômico é um relógio que usa como "pêndulo" a frequência com que átomos absorvem radiação ao mudar de estado de energia. No tipo mais importante, o de césio, essa frequência é de exatamente 9.192.631.770 ciclos por segundo, e é ela que define oficialmente o segundo desde 1967. Os melhores relógios de césio erram menos de um segundo em 100 milhões de anos, e é a partir deles que se calculam a hora mundial (UTC), a hora legal de cada país e o funcionamento do GPS.

Como funciona, passo a passo

Todo relógio precisa de algo que oscile de forma regular. No relógio de quartzo, é um cristal vibrando 32.768 vezes por segundo, mas cada cristal é ligeiramente diferente e varia com temperatura e idade. O átomo não tem esse defeito: todos os átomos de césio-133 do universo são idênticos e respondem exatamente à mesma frequência. O relógio atômico, na prática, é um oscilador de quartzo permanentemente corrigido por átomos.

1. Preparação: um feixe ou uma nuvem de átomos de césio-133 é colocado em um dos dois níveis de energia "hiperfinos" do seu estado fundamental.
2. Interrogação: os átomos atravessam uma cavidade com micro-ondas geradas por um oscilador de quartzo, ajustado para perto de 9,19 GHz.
3. Detecção: mede-se quantos átomos mudaram de nível. O número é máximo quando as micro-ondas estão exatamente na frequência de ressonância do césio.
4. Correção: um circuito ajusta o oscilador continuamente para manter esse máximo. A frequência fica "travada" no átomo.
5. Contagem: a eletrônica conta 9.192.631.770 ciclos e marca um segundo.

Nos relógios de fonte de césio, os mais exatos desse tipo, lasers resfriam os átomos a milionésimos de grau acima do zero absoluto e os lançam para cima; eles passam pela cavidade na subida e na descida, o que dá cerca de um segundo de observação e uma medida muito mais fina. O NIST-F2, dos Estados Unidos, tem incerteza equivalente a um segundo em cerca de 300 milhões de anos.

A definição do segundo

Até 1960, o segundo era 1/86.400 do dia solar médio, uma herança da divisão antiga explicada em por que o dia tem 24 horas. O problema é que a rotação da Terra é irregular e está desacelerando. Em 1955, Louis Essen e Jack Parry puseram para funcionar no laboratório britânico NPL o primeiro relógio de césio preciso, e em 1967 a Conferência Geral de Pesos e Medidas adotou a definição atômica: o segundo é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do césio-133.

Desde então, quem "erra" é a Terra. A diferença entre o tempo atômico e a rotação do planeta é o que levou à criação do segundo intercalar.

Tipos de relógio atômico

Da sala do laboratório à hora do seu celular

Nenhum relógio isolado define a hora mundial. O Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), na França, combina os dados de cerca de 450 relógios atômicos mantidos por dezenas de laboratórios e calcula o Tempo Atômico Internacional (TAI). Aplicando os segundos intercalares acumulados, chega-se ao UTC, base de todos os fusos horários. No Brasil, quem gera e distribui a Hora Legal Brasileira é o Observatório Nacional, no Rio de Janeiro, com seu próprio conjunto de relógios atômicos; o horário de Brasília é simplesmente o UTC menos três horas.

Essa hora chega até você pela internet (protocolo NTP), pela rede celular e pelos satélites. É por isso que um smartwatch ou celular está sempre certo, e é a mesma referência usada pelo relógio no topo desta página do site.

GPS: relógios atômicos em órbita

O GPS é, no fundo, um sistema de relógios. Cada satélite leva relógios atômicos de rubídio ou césio e transmite continuamente a hora e a sua posição. O receptor compara o instante de chegada dos sinais de pelo menos quatro satélites; como o sinal viaja à velocidade da luz, um erro de um bilionésimo de segundo corresponde a cerca de 30 cm de erro de posição.

A precisão é tanta que a relatividade de Einstein precisa ser corrigida. Pela velocidade orbital, os relógios dos satélites atrasam cerca de 7 microssegundos por dia; pela gravidade mais fraca na altitude em que estão, adiantam cerca de 45. O saldo, 38 microssegundos por dia, parece nada, mas sem compensação o erro de posição cresceria em torno de 10 km por dia. Todo relógio com GPS, incluindo os esportivos, recebe a hora atômica "de brinde" junto com a localização.

Relógios ópticos: a próxima geração

Quanto mais rápido o "pêndulo", mais fina a divisão do tempo. Os relógios ópticos usam átomos como estrôncio e itérbio, ou íons como o de alumínio, cujas transições ocorrem em frequências de luz visível, dezenas de milhares de vezes mais altas que as micro-ondas do césio. Os melhores já atingem incertezas na casa de 10 elevado a −18: não errariam um segundo em toda a idade do universo, cerca de 13,8 bilhões de anos. São sensíveis o bastante para detectar a diferença na passagem do tempo entre dois pontos separados por poucos centímetros de altura, efeito previsto pela relatividade geral.

Por causa deles, a metrologia internacional prepara uma nova definição do segundo baseada em transições ópticas. O plano de trabalho do BIPM aponta a virada desta década para a próxima como horizonte, condicionado a critérios técnicos; para o uso cotidiano, nada mudará, pois o novo segundo terá a mesma duração do atual, apenas realizado com mais exatidão.

Existe relógio atômico de pulso?

O que o comércio chama de "relógio atômico" é quase sempre um relógio radiocontrolado: um quartzo comum que, de madrugada, sintoniza uma emissora de ondas longas e se corrige pela hora de um relógio atômico distante. É o caso das linhas Wave Ceptor e Multi Band 6 da Casio e de vários modelos G-Shock e Citizen. As emissoras ficam na Alemanha, no Reino Unido, nos Estados Unidos, no Japão e na China. Não há transmissor na América do Sul: no Brasil esses relógios funcionam como quartzo normal, e a sincronização só ocorre por Bluetooth com o celular ou por GPS, nos modelos que oferecem esses recursos.

Perguntas frequentes