A precisão do tempo

Medição do tempo

Historicamente, o homem mede o tempo que passa.
A rotação da Terra lhe permitiu dividir o tempo em dias entre duas amanheceres ou duos pores do Sol. Hoje, o movimento da Terra são constantemente monitorizados utilizando técnicas cada vez mais avançadas. Com relógios de sol, o dia foi dividido em horas, e os relógios foram divididos em horas minutos e segundos. Mas não é o suficiente para evitar as derivas do tempo, os cientistas encontraram mecanismos cada vez mais precisos para medir o tempo. A vibração do cristal de quartzo melhorou a precisão do tempo em milissegundos, mas não foi ainda suficientemente precisos para a pesquisa tecnológica demanda mais precisão. Então nós usamos a frequência natural de certos átomos e em particular o isótopo átomo de césio-133, cujas oscilações emitem pulsos de luz. A frequência da oscilação do átomo de césio é incrivelmente alto, que é o que os cientistas procuram porque uma alta frequência permite a medição de tempo com alta precisão. Este é o átomo de césio que atualmente garante a precisão do tempo em nosso planeta. Se somos bombardeados com energia, usando um laser, ele vibra emitindo pulsos de luz em uma frequência de 9.192.631.770 Hz. Com a frequência de impulsos de luz 9192631770 por segundo, a precisão é tal que o relógio perde ou ganha um segundo, que a cada 100 milhões de anos. Hoje, a definição do segundo, feito pelo Sistema Internacional de Unidades é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.
Um relógio que usa a continuidade e a imutabilidade da frequência da radiação eletromagnética emitida por um elétron durante a transição de um nível de energia para outro é chamado "relógio atômico".
É com estes relógios atômicos que são mantidos preciso Tempo Internacional (TAI) e distribui a escala de tempo de referência (UTC).

N.B.: O césio é um metal alcalino, seu nome "caesius" significa "céu azul" em latim. Seu espectro dá duas linhas características de azul claro.
Foi descoberto em 1861 por Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Kirchhoff Robert por espectroscopia de lepidolita (minerais pertencentes aos silicatos).

Imagem: A velocidade de rotação da Terra no equador é de 1 674,364 kmh. O número de rotações da Terra em si é cerca de 365,2425 por ano, 365,2425 dias sideral (rotação em relação ao sistema de referência celestial). No entanto, todos os movimentos da Terra são irregulares e variam gradualmente ao longo do tempo. Lua com os efeitos das marés retarda a rotação da Terra. Duração do dia na Terra lentamente aumentando em cerca de 2 milissegundos por século. Assim, há 300 milhões de anos, o ano dura 400 dias e o dia dura 22 horas. Quando a Terra foi formada, é 4,5 bilião anos, o ano durou 1.434 dias e o dia durou 6,1 horas.

Relógios cada vez mais precisos

Gnômons, relógios de água, relógios de areia foram usadas durante séculos para medir o tempo. Após os sinos que os religiosos operam a cada hora, vêm os relógios de pêndulos. Esta é Christiaan Huygens (1629 - 1695) em 1657, que projeta o primeiro relógio de pêndulo que tem uma frequência de oscilação relativamente constante. Este mecanismo, ligeiramente melhorado ao longo do tempo, irá ser utilizado por quase 300 anos, até uma precisão da ordem do segundo.
Os relógios elétricos, os relógios eletrônicos e os relógios de quartzo irá substituir gradualmente os pêndulos.
No século vinte, as propriedades da matéria vai melhorar significativamente a precisão da medição do tempo.
Hoje, são os relógios atômicos que ficam a mais alta precisão (segundo 10^-10 com o Cs133). Mas já no início do século XXI a luz substitui a matéria na medição do tempo e aumenta ainda mais precisão (10^-12 segundos) com a ótica.

Tabela: A precisão da medição do tempo, em segundos, em um dia, ao longo dos séculos.

Relógio atômico ou fonte atômica

Um relógio atómico é um oscilador de quartzo bloqueado para a frequência natural da transição entre dois níveis de energia de um átomo.
A fonte primeira atômica funcionou em 1989 com átomos de sódio. Hoje é o único isótopo estável do césio, 133Cs, o qual é usado em relógios atómicos. Este é o átomo de referência, na definição da segunda.
Tudo acontece em uma câmara aquecida contendo césio é neste lugar que nós vamos criar um fluxo de átomos.
Depois de algumas manipulações por meio de um campo magnético, o feixe de átomos passa por um cavidade ressonante chamado Ramsey, Norman Foster físico Ramsey que a proposou pela primeira vez em 1950. Depois de preparar os átomos em um de dois níveis fundamental, ou excitados átomos transitam mais ou menos a partir de um nível para a outro.
A frequência do oscilador macroscópica é ajustada de modo a ficar permanentemente escravizado ao redor do máximo da transição atómica, é a resposta do átomo de césio para a excitação. A frequência é então 9192631770 Hz Este valor define o segundo exato.

A medição do tempo é, então, fornecido por uma divisão das oscilações do oscilador de cristal, em combinação com um circuito eletrónico que resultará ou controlar equipamentos que requer uma frequência de funcionamento estável e alta.

N.B.: Norman Foster Ramsey é um físico americano, nascido 27 de agosto de 1915 em Washington, e morreu em 4 de novembro de 2011. Ele ganhou metade do prêmio Nobel de Física em 1989, incluindo o trabalho em relógios atômicos.

Imagem: O relógio atômico na fonte de átomos de césio. O relógio de 200 kg e de 1,5 m de altura, é o padrão primário de tempo e de frequência nos Estados Unidos, com um total de incerteza 5,10-16 (2005). Usando este relógio, medição do tempo é feita com precisão incrível com este átomo de metal raro, césio.
crédito : NIST (National Institute of Standards and technology).