Como funciona o relógio atômico?

A princípio, de um jeito simples. Ele é basicamente um relógio comum, movido a quartzo, mas com uma diferença: a hora que ele marca é acertada sempre, sem parar. Isso porque os ajustes são feitos com base em átomos que "vibram" de um jeito extremamente preciso, bilhões de vezes por segundo. Por isso, esses relógios praticamente não atrasam nem adiantam. Os mais modernos erram no máximo dois bilionésimos, ou nanossegundos, por dia, contra dez milésimos dos melhores relógios de quartzo. Assim, para perder ou ganhar um segundo, um bom relógio atômico demoraria mais de 1 milhão de anos! E mesmo essas incorreções mínimas são eliminadas por uma rede mundial com centenas dessas máquinas interligadas via satélite. Parece exagero, mas não é. Muitas coisas nem sequer existiriam sem esse grau de precisão.
O Sistema de Posicionamento Global (GPS), que serve, entre outras coisas, para guiar via satélite os aviões, é uma delas. "O GPS diz a posição de um avião, por exemplo, calculando o tempo com que um sinal sai do satélite e chega à aeronave. Assim, um atraso de três nanossegundos no relógio do satélite significa um erro de 1 metro em sua posição", diz o físico americano Donald Sullivan, que comanda o relógio atômico mais preciso do mundo, no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos. Com tanta exatidão, esses relógios, criados em 1949, se tornaram a base da definição do tempo. Desde 1967, o intervalo de um segundo foi determinado como o tempo em que um átomo de césio 133, o mais usado nos relógios, "oscila" 9 192 631 770 vezes.
Ajuste eterno
Átomos que vibram regulam os bilionésimos de segundos.
1. Átomos de césio 133 são aquecidos e lançados em forma de raio.
2. Ímãs separam os átomos capazes de receber energia.
3. Aqui os átomos são expostos à energia em forma de ondas. Cada um deles só absorverá a energia se as ondas estiverem em uma frequência de 9 192 631 770 hertz, ou ciclos por segundo.
4. Um oscilador de quartzo (igual ao dos relógios comuns) ajusta o mecanismo que envia ondas para ele lançar frequências próximas àquela que o césio pode absorver. A frequência ainda não é exata, pois o oscilador não é suficientemente preciso.
5. Entre as diferentes ondas de frequência, algumas estarão a exatos 9 192 631 770 hertz. Assim alguns átomos de césio receberão energia.
6. Aqui os átomos que receberam energia são separados por ímãs e identificados por um detector, que avisa ao oscilador que ele atingiu a frequência correta.
7. A frequência, agora exata, é dividida por 9 192 631 770 (o valor dela em hertz). O resultado é um pulso por segundo, que é marcado pelo relógio com precisão de bilionésimos. Para manter a exatidão, o processo é repetido o tempo todo.
Na onda certa
Frequência é o número de ciclos — cristas e depressões — que uma onda dá em um segundo. Se uma onda estiver acima (linha azul) ou abaixo (linha amarela) de 9 192 631 770 ciclos por segundo, o átomo de césio 133 não receberá a energia que ela carrega. No caso do césio, esse longo número é a sua frequência de ressonância, aquela em que esse átomo absorve ou emite energia (linha verde). Simplificando muito, é a frequência em que ele vibra.

Revista Mundo Estranho Edição 11/ 2003