Os físicos desenvolveram um relógio atômico tão preciso que seria desligado em menos de um segundo em 14 bilhões de anos. Esse tipo de precisão torna mais do que apenas um relógio. É um instrumento científico poderoso que pode medir ondas gravitacionais, medir a forma gravitacional da Terra e talvez até detectar matéria escura.
Como eles fizeram isso?
Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dizem que seu novo relógio atômico é baseado no elemento terra rara itérbio. Eles usam uma grade de feixes de laser chamada treliça óptica para capturar 1000 átomos de itérbio. Os átomos naturalmente "marcam" alternando entre dois níveis de energia. Essa ação é chamada de transição atômica de elétrons e leva nanossegundos para ocorrer. Cada vez que marcam ou alteram os níveis de energia, os elétrons emitem energia de microondas, que pode ser detectada. Os físicos do NIST construíram dois desses relógios de itérbio e, comparando-os, alcançaram um desempenho recorde.
Esse desempenho recorde é medido de três maneiras:
- Incerteza sistemática: é assim que o relógio representa as vibrações naturais dos átomos de itérbio. O relógio de itérbio estava em apenas um bilionésimo de um bilionésimo.
- Estabilidade: é o quanto a frequência do relógio muda em um horário especificado. Nesse caso, eles mediram seu relógio de itérbio e ele mudou em apenas 0,00000000000000000032) durante um dia.
- Reprodutibilidade: mede a precisão com que dois relógios de itérbio marcam na mesma frequência. Em 10 comparações entre o par de relógios, a diferença foi novamente menor que um bilionésimo de bilionésimo.
"A incerteza sistemática, a estabilidade e a reprodutibilidade podem ser consideradas o 'resplendor real' do desempenho desses relógios", disse o líder do projeto Andrew Ludlow em comunicado à imprensa. "O acordo dos dois relógios nesse nível sem precedentes, que chamamos de reprodutibilidade, é talvez o resultado mais importante, porque requer e substancia essencialmente os outros dois resultados".
Einstein nos mostrou que o tempo passa de maneira diferente, dependendo da gravidade que você também está sujeita. O tique-taque dos átomos em um relógio atômico é mais lento quando observado em uma gravidade mais forte. No topo do Monte. O Everest, por exemplo, o tempo passa mais rapidamente do que na parte inferior da Fossa das Marianas. Isso porque, aqui na Terra, a força da gravidade está concentrada no centro do planeta. Quanto mais longe você estiver do centro, menor será a gravidade. O efeito não é grande, talvez apenas milionésimos de segundo. Mas está aí. Isso parece contra-intuitivo de alguma forma, mas foi o que Einstein mostrou e ele se provou correto.
O aspecto excepcional desse novo relógio atômico é que sua reprodutibilidade demonstrada significa que o erro do relógio está abaixo da nossa capacidade de detectar o efeito gravitacional no tempo aqui na Terra.
O físico do NIST Andrew Ludlow explica assim: "... a reprodutibilidade demonstrada mostra que o erro total dos relógios cai abaixo da nossa capacidade geral de explicar o efeito da gravidade no tempo aqui na Terra. Portanto, como visualizamos relógios como esses sendo usados em todo o país ou mundo, seu desempenho relativo seria, pela primeira vez, limitado pelos efeitos gravitacionais da Terra. "
Os físicos dizem que agora que temos um relógio com precisão maior que o efeito gravitacional no tempo, podemos usá-lo para medir a forma gravitacional da Terra. A maneira usual de medir a forma gravitacional da Terra é medindo suas marés. Medidores de marés colocados em todo o mundo são usados, mas sua precisão é de apenas alguns centímetros. Os novos relógios poderiam reduzir essa precisão a menos de um único centímetro.
De fato, esses relógios de itérbio podem ser usados para medir muito mais do que a forma gravitacional da Terra. Eles podem ser usados para medir o próprio espaço-tempo e detectar ondas gravitacionais do universo primitivo. É possível que eles possam medir a matéria escura. Nesse nível de exatidão e precisão, este instrumento é muito mais do que apenas um relógio.
Não é apenas a gravidade que pode afetar um relógio como o relógio de itérbio. Outros efeitos ambientais podem prejudicar a precisão do dispositivo. Eles devem ser mantidos resfriados e isolados de qualquer campo elétrico perdido. Os novos relógios são protegidos contra efeitos elétricos e térmicos, para que possam ser contabilizados e corrigidos.
Com melhorias como blindagem elétrica e térmica, os físicos estão construindo relógios portáteis de itérbio que podem ser transportados para diferentes laboratórios para medir e comparar outros relógios. Eles também poderiam ser transferidos para outros locais para estudar técnicas de geodésia relativística. Isso seria um divisor de águas, porque atualmente, nossos melhores relógios atômicos são do tamanho de uma sala, os chamados "relógios-chafariz" que usam o átomo de césio para definir o segundo.
Mas tudo isso pode estar prestes a mudar com os novos relógios.
Os relógios atômicos anteriores são baseados no elemento césio, que até agora fornecia a cronometragem mais precisa disponível. A vibração do átomo de césio tem sido usada desde a década de 1960 para definir a duração de um segundo no Sistema Internacional de Unidades (ISU). Mas, com o desenvolvimento do relógio de itérbio, o tempo do césio pode ter acabado.
O primeiro relógio de césio foi construído em 1955 e, desde então, é o padrão-ouro. A definição oficial do segundo, se você estiver interessado, está em uso desde 1967. Diz: “O segundo é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do solo. estado do átomo de césio 133 ”. Então, em 1997, eles esclareceram que o césio deveria estar em 0 Kelvin.
Outros relógios atômicos foram construídos usando o rubídio, que pode ser tornado portátil. Eles não são tão precisos quanto o césio, mas são bons o suficiente para aplicativos como GPS, estações base para celular e para controlar a frequência das estações de televisão. Mas com o desenvolvimento do novo relógio atômico usando o átomo de itérbio, podemos ter o melhor dos dois mundos: precisão científica sem precedentes e portabilidade.
O novo relógio atômico de itérbio é um dos principais candidatos a redefinir a definição de quão baixo é um segundo. Isso ocorre porque atende ao limite de precisão definido pelo Sistema Internacional de Unidades. O órgão disse que qualquer nova definição exigiria uma melhoria de 100 vezes na precisão validada em relação aos relógios de césio atualmente usados para definir a segunda.
Costumávamos definir o tempo pela rotação da Terra, mas percorremos um longo caminho desde então. Um relógio atômico usando a taxa de escala de um elemento de terras raras para medir a forma gravitacional da Terra, ondas gravitacionais do Universo primitivo e talvez até a matéria escura seja algo que nenhum humano histórico jamais poderia imaginar quando enfiou um graveto. o chão para fazer um seletor solar.
- Press Release: Os relógios atômicos do NIST agora mantêm o tempo suficiente para melhorar os modelos da Terra
- Trabalho de Pesquisa: Desempenho do relógio atômico além do limite geodésico
- MIT News: Cronometragem atômica, em movimento
- Wikipedia: relógio atômico
- Wikipedia: Padrão de césio
- Wikipedia: Transição atômica de elétrons
