From sticks in the ground to caesium atomic clocks, humans have been keeping track of time with increasing accuracy for millennia., Helen Margolis analisa a forma como chegamos ao nosso atual definição do segundo, e onde o relógio tecnologia vai avançar
Em 1 de novembro de 2018, quando este artigo foi publicado pela primeira vez na edição impressa de a Física do Mundo, Eu estava trabalhando no reino UNIDO, o National physical Laboratory (NPL), em Teddington por exatamente 20 anos e seis dias. A razão pela qual sei que isto é fácil – entrei em 26 de outubro de 1998 e, com a ajuda de relógios e calendários, posso medir o tempo que passou., Mas o que é que as pessoas faziam antes dos relógios acontecerem? Como mediam o tempo?
ao Longo dos milênios uma miríade de dispositivos foram inventados para a cronometragem, mas o que todos eles têm em comum é que eles dependem de fenômenos naturais com períodos regulares de oscilação. A cronometragem é simplesmente uma questão de contar essas oscilações para marcar a passagem do tempo.
para grande parte da história, o fenômeno periódico escolhido foi o movimento aparente do sol e das estrelas através do céu, causado pela Terra girando em torno de seu próprio eixo., Um dos primeiros métodos de cronometragem conhecidos – datando de milhares de anos-envolveu colocar uma vara direita no chão e manter o controle de sua sombra em movimento à medida que o dia avançava. Este método evoluiu para o relógio de sol, ou relógio de sombra, com marcadores ao longo do caminho da sombra dividindo o dia em segmentos.no entanto, os raios solares são inúteis a menos que o sol esteja a brilhar. É por isso que dispositivos mecânicos – como relógios de água, velas e ampulhetas – foram desenvolvidos., Então, no século XVII, relógios pendulares foram desenvolvidos, que eram muito mais precisos do que qualquer dispositivo de cronometragem anterior. Seu período de oscilação (na aproximação da ordem mais baixa) foi determinado pela aceleração devida à gravidade e pelo comprimento do pêndulo. Porque este período é muito mais curto do que a rotação diária da terra, o tempo poderia ser subdividido em intervalos muito menores, tornando possível medir segundos, ou mesmo frações de um segundo.,
no entanto, a rotação da terra ainda era o “relógio mestre” contra o qual Outros relógios foram calibrados e ajustados em uma base regular.
do cristal para o atômico
À medida que a tecnologia progredia, a necessidade de maior tempo de resolução aumentou. Os relógios de pêndulo foram gradualmente ultrapassados pelos Relógios de quartzo, o primeiro dos quais foi construído em 1927 por Warren Marrison e Joseph Horton nos então Laboratórios Bell Telephone nos EUA. Nestes dispositivos, uma corrente elétrica faz com que um cristal de quartzo ressoe em uma frequência específica que é muito maior do que as oscilações de um pêndulo.,
a frequência desses relógios é menos sensível às perturbações ambientais do que os dispositivos de cronometragem mais antigos, tornando-os mais precisos. Mesmo assim, os relógios de quartzo dependem de uma vibração mecânica cuja frequência depende do tamanho, forma e temperatura do cristal. Não há dois cristais exatamente iguais, então eles têm que ser calibrados contra outra referência – Este foi o período de rotação da terra, com o segundo sendo definido como um 1/86,400 t do dia solar médio (ver caixa, abaixo).
tempo de padronização
tempo Solar não é o mesmo em todos os lugares., No Reino Unido, por exemplo, Birmingham está oito minutos atrás de Londres, e Liverpool está 12 minutos atrás. Enquanto os tempos de comunicação e de viagem entre os principais centros da população eram lentos, isso importava pouco. Mas a situação mudou dramaticamente com a construção de ferrovias no século XIX. Ter diferentes momentos locais em cada estação causou confusão e cada vez mais, à medida que a rede se expandiu, acidentes e quase falhas. Um único tempo padronizado era necessário.,a “Great Western Railway” liderou o caminho em 1840 e “railway time” foi gradualmente retomada por outras companhias ferroviárias nos anos seguintes. Os horários foram padronizados para o tempo médio de Greenwich (GMT), e em 1855 sinais de tempo foram transmitidos telegraficamente de Greenwich através da rede ferroviária britânica. No entanto, não foi até 1880 que o papel do GMT como um tempo padrão unificado para todo o país foi estabelecido na legislação., Quatro anos depois, na Conferência Internacional do Meridiano realizada em Washington DC nos EUA, o GMT foi adotado como padrão de referência para fusos horários ao redor do globo e o segundo foi formalmente definido como uma fração (1/86,400) do dia solar médio.
Existem problemas com esta definição do segundo, no entanto. À medida que a nossa capacidade de medir esta unidade de tempo melhorou, tornou-se claro que o período de rotação da terra não é constante., O período não só diminui gradualmente devido à fricção das marés, como também varia com a estação e, pior ainda, flutua de forma imprevisível.em 1955, a NPL pôs em movimento uma revolução na cronometragem quando Louis Essen e Jack Parry produziram o primeiro padrão prático de frequência atômica de césio (ver caixa, abaixo). Seu dispositivo não era realmente um relógio, pois não funcionava continuamente, e era simplesmente usado para calibrar a frequência de um relógio de quartzo externo em intervalos de alguns dias., No entanto, ao estudar como a frequência de ressonância dependia de condições ambientais, Essen e Parry mostraram convincentemente que transições entre níveis discretos de energia em átomos de césio bem isolados poderiam fornecer uma referência de tempo-intervalo muito mais estável do que qualquer padrão baseado no movimento de corpos astronômicos. Como Essen escreveu mais tarde: “convidamos o diretor a vir testemunhar a morte do segundo astronômico e o nascimento do tempo atômico.,”
Como um relógio atômico obras
Em um césio relógio atômico, a frequência de micro-ondas origem é cuidadosamente ajustada até atingir a frequência de ressonância correspondente à diferença de energia entre as duas rés-do-estado hyperfine níveis dos átomos de césio: 9,192,631,770 Hz. Os átomos absorvem a radiação de microondas, e um sinal de feedback gerado a partir do sinal de absorção é usado para manter a fonte de microondas sintonizada para esta frequência altamente específica., O display de tempo é gerado contando eletronicamente as oscilações da fonte de microondas.o relógio original de Louis Essen no National Physical Laboratory do Reino Unido usava um feixe térmico de átomos de césio e era preciso para cerca de uma parte em 1010. Hoje em dia, os padrões primários de césio usam um arranjo conhecido como “fonte atômica”, no qual átomos arrefecidos a laser são lançados para cima através de uma cavidade de microondas antes de cair de volta sob a gravidade. Usando átomos frios significa que o tempo de interação pode ser muito mais longo do que em um relógio de feixe térmico, dando uma resolução espectral muito maior., Com uma avaliação cuidadosa das mudanças sistemáticas de frequência decorrentes de perturbações ambientais, as melhores fontes de césio de hoje atingiram a exatidão de uma parte em 1016, embora as medições devam ser calculadas em média durante vários dias para atingir este nível. Eles contribuem como padrões primários para o tempo atômico Internacional (TAI).
mas mostrando que o novo padrão era estável foi insuficiente para redefinir o segundo. Uma nova definição tinha de ser coerente com a anterior, dentro do limite técnico da incerteza de medição., Essen e Parry, portanto, começaram a medir a frequência de seu padrão de césio em relação à escala de tempo astronômico disseminada pelo Observatório Real de Greenwich.
entretanto, os astrônomos mudaram para o uso do tempo de efemérides, baseado no período orbital da terra ao redor do sol. Sua lógica era que é mais estável do que a rotação da Terra, mas infelizmente para a maioria dos propósitos de medição prática é impraticavelmente longo., No entanto, o Comitê Internacional de pesos e medidas seguiu a sua liderança, e em 1956 selecionou efemérides segundo para ser a unidade base de tempo no Sistema Internacional de Unidades. Como Essen disse: “Até os organismos científicos podem tomar decisões ridículas.”
mas ridículo ou não, ele precisava relacionar a frequência de césio com o segundo efemérides, uma tarefa que ele realizou em colaboração com William Markowitz do Observatório Naval dos Estados Unidos., Finalmente, em 1967, a Conferência Geral de Pesos e Medidas, decidiu que tinha chegado o momento de redefinir o segundo, como “a duração da 9,192,631,770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois hyperfine níveis do estado fundamental do césio-133 átomo”.
A próxima geração
Mais compacto e menos onerosa, embora menos precisos – versões de relógios atômicos de césio também têm sido desenvolvidos, e aplicações floresceram. Podemos nem sempre percebê-lo, mas o tempo de precisão sustenta muitas características de nossas vidas diárias. Telefones celulares, transações financeiras, Internet, energia elétrica e sistemas globais de navegação por satélite dependem de padrões de tempo e frequência.,mas embora a transição para o césio tenha provado ser uma base duradoura para a definição do segundo, os relógios atômicos de césio podem agora estar alcançando o limite de sua precisão e melhorias podem abrir novas aplicações. Em resposta, uma nova geração de relógios atômicos está emergindo com base em transições ópticas, ao invés de microondas. Estes novos relógios têm a sua precisão melhorada a partir de suas frequências operacionais muito mais altas., Sendo todas as outras coisas iguais, a estabilidade de um relógio atômico é proporcional à sua frequência operacional e inversamente proporcional à largura da transição eletrônica. Na prática, porém, a estabilidade também depende da razão sinal-ruído da característica de absorção atômica.em um relógio atômico óptico, um laser ultra-estável é bloqueado para uma transição eletrônica espectral estreita na região óptica do espectro – a chamada “transição de relógio”., Os relógios ópticos que estão sendo estudados hoje se dividem em duas categorias: alguns são baseados em íons retidos resfriados a laser e outros são baseados em conjuntos de átomos resfriados a laser presos em uma estrutura óptica.
o primeiro, um único íon resfriado a laser em uma armadilha eletromagnética de radiofrequência, aproxima-se do ideal espectroscópico de uma partícula absorvente em repouso em um ambiente livre de perturbação. Quando arrefecido, pode ser confinado a uma região do espaço com dimensões inferiores ao comprimento de onda da luz laser do relógio, O que significa que o alargamento Doppler da característica de absorção é eliminado.,
controlando o seu movimento residual para garantir que está firmemente confinado ao centro da armadilha, outras mudanças sistemáticas de frequência também podem ser grandemente suprimidas. Este tipo de relógio, portanto, tem o potencial para uma precisão muito alta. A desvantagem é que um único íon dá um sinal de absorção com baixa relação sinal-ruído, o que limita a estabilidade do relógio que pode ser alcançado.
átomos neutros, por outro lado, podem ser presos e resfriados em grande número, resultando em um sinal com uma relação sinal-ruído muito melhor., A estabilidade, por exemplo, melhora com a raiz quadrada do número de átomos, sendo tudo o resto igual. Pesquisadores podem agora confinar milhares de átomos arrefecidos a laser em uma Armadilha de retículos ópticos-mais comumente um conjunto 1D de potenciais poços formados pela interseção de feixes laser.
pode-se esperar que os feixes de luz usados para prender os átomos alterem a frequência da transição do relógio., No entanto, isso pode ser evitado através da sintonização do laser usado para criar a estrutura para um comprimento de onda “mágico” em que os níveis superior e inferior do deslocamento de transição do relógio precisamente pela mesma quantidade – uma solução proposta pela primeira vez em 2001 por Hidetoshi Katori, da Universidade de Tóquio, no Japão.
O registro atual para a estabilidade do relógio óptico é mantido pelo Grupo de Andrew Ludlow do Instituto Nacional de padrões e Tecnologia dos EUA em Boulder, Colorado. O seu relógio óptico de retículo Ytterbium demonstrou recentemente uma estabilidade de uma parte em 1018 por tempos médios de alguns milhares de segundos., No entanto, relógios ópticos de íons presos também demonstraram estabilidade bem abaixo dos relógios atômicos de césio,e ambos os tipos já atingiram incertezas sistemáticas estimadas nas partes baixas em 1018. Isto ultrapassa de longe a precisão dos padrões primários de césio e levanta uma questão óbvia: é hora de redefinir o segundo mais uma vez?
O futuro do time
A frequência selecionada óptico padrão seria, claro, precisa ser determinado com precisão em termos de césio frequência, para evitar qualquer descontinuidade na definição. Mas isso pode ser facilmente conseguido usando um fémtossegundo pente de frequência óptica – uma fonte laser cujo espectro é um pente de freqüências regularmente espaçadas-para preencher a lacuna entre as freqüências ópticas e as microondas. Um obstáculo a uma redefinição é que não está claro qual relógio óptico será o melhor., Cada sistema que está sendo estudado tem vantagens e desvantagens – alguns oferecem maior estabilidade alcançável, enquanto outros são altamente imunes a perturbações ambientais.outro desafio é verificar experimentalmente suas incertezas sistemáticas estimadas através de comparações diretas entre Relógios ópticos desenvolvidos independentemente em diferentes laboratórios. Aqui, os investigadores na Europa têm uma vantagem, uma vez que já é possível comparar relógios ópticos no Reino Unido, França e Alemanha com o nível de precisão necessário utilizando ligações de fibra óptica., Infelizmente, estas técnicas não podem actualmente ser utilizadas a escalas intercontinentais e é necessário encontrar formas alternativas de ligação a Relógios ópticos nos EUA e no Japão.os experimentos de comparação de clock remotos também devem levar em conta o desvio gravitacional para o vermelho das frequências do clock. Para Relógios ópticos com incertezas de uma parte em 1018, isto significa que o potencial de gravidade nos locais do relógio deve ser conhecido com uma precisão correspondente a cerca de 1 cm de altura, uma melhoria significativa sobre o estado atual da arte. Devem também ser consideradas as variações das marés do potencial gravitacional.,embora seja provável que todos estes desafios sejam ultrapassados com o tempo, uma redefinição da segunda exigirá consenso internacional e ainda está longe. Até lá, a comunidade mundial de metrologia de tempo e frequência concordou que os relógios atómicos ópticos podem, em princípio, contribuir para os calendários internacionais como representações secundárias da segunda.de fato, a precisão sem precedentes dos relógios atômicos ópticos já está beneficiando a física fundamental., Por exemplo, limites melhorados foram definidos na variação do tempo atual da constante de estrutura fina (α ≈ 1/137) e a razão massa próton-elétron, comparando as frequências de diferentes relógios ao longo de um período de vários anos.relógios ópticos também podem abrir aplicações completamente novas. Comparando a frequência de um relógio óptico transportável com um relógio de referência fixo, seremos capazes de medir diferenças de potencial de gravidade entre locais bem separados com alta sensibilidade, bem como alta resolução temporal e espacial., Tais medições levarão a Definições mais consistentes de alturas acima do nível do mar – atualmente diferentes países medem em relação a diferentes medidores das marés, e o nível do mar não é o mesmo em toda a Terra. Poderiam também permitir-nos acompanhar a evolução dos níveis do mar em tempo real, acompanhando as tendências sazonais e a longo prazo das massas de gelo e as alterações globais das massas oceânicas-dados que fornecem contributos críticos para os modelos utilizados para estudar e prever os efeitos das alterações climáticas., É talvez irónico que possamos estudar a terra – cuja rotação originalmente definiu a segunda-em maior detalhe com a ajuda do seu último usurpador: o relógio óptico.
