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Como funciona um relógio atômico e como ele é usado no Sistema de Posicionamento Global (GPS)
Eu gostaria de mostrar lhes uma coisa incrível.
O primeiro relógio atômico do tamanho de um chip que está disponível comercialmente.
O CSAC da Symmetricon.
É isso mesmo: este pequeno aparelho
do tamanho de uma moeda,
é um relógio atômico
O relógio atômico mais preciso perde por volta de
um segundo ao longo de 138 milhões e anos.
A maneira como os relógios atômicos funcionam me encantam,
deixem me explicar como o primeiro deles funcionava.
Vou começar com esta gelatina.
Com uma batida um bloco de gelatina balança de um lado para o outro.
Exatamente como no balançar de um pêndulo nos antigos relógios de parede,
as oscilações desta gelatina marcam um compasso.
Bem, a gelatina não é muito boa nisso
mas dentro de um relógio atômico há um pedaço de quartzo
de uma formato semelhante à gelatina, de tal forma que se lhe dermos uma batida,
o que fazemos com uma corrente elétrica,
ele irá oscilar aproximadamente cinco milhões de vezes por segundo.
Ele mantem o compasso de tal forma que só perde 1 segundo em 90 mil anos
uma fração da precisão necessária para um relógio atômico.
O quartzo perde tempo pois ele vai perdendo velocidade e precisa
de um novo pequeno empurrão para restaurar sua oscilação.
Aqui é onde a parte \"atômica\" do relógio atômico entra no jogo.
Usamos átomos de césio para controlar com exatidão estes empurrões.
Toda vez que a oscilação do quartzo desacelera
mesmo que muito pouco, damo-lhes um novo empurrão
um choque elétrico no exato momento necessário
assim, essencialmente, a sua oscilação nunca desacelera.
Deixe-me mostrar como o césio é usado para fazer isso.
Os átomos de césio puro existem em
dois estados um pouco diferentes um do outro.
Um estado de baixa energia e um estado com um pouco mais energia.
Para um relógio atômico estes dois estados tem duas funções
críticas para fazer o relógio.
Primeiro, eles podem ser separados por imãs.
E segundo, os átomos com baixa energua podem ser convertidos
em átomos de alta energia se forem bombardeados com a radiação correta.
Engenheiros equacionam a desaceleração das vibrações do quartzo
com o exato comprimento de onda da radiação aplicada
para criar um circuito retroalimentado.
Deixe-me mostar como.
Em um forno cloreto de césio é aquecido para criar
um fluxo gasoso de íons de césio.
O fluxo contem ambos os íos de baixa e de alta energia.
Primeiramente passamos o fluxo por um imã separando os dois tipos,
descartando aqueles com alta energia, e permitindo que os íos com baixa energia
passem por esta câmara.
Dentro desta câmara bombardeamos os íos com
radiação que tenha o comprimento de onda certa para fazê-los pular para o estado de alta energia.
Quando estes íos gasosos deixam a câmara eles passam por
outro imã que direciona os íos de alta energia para um detector,
desta vez descartando qualquer íon de baixa energia.
O detector converte os íos que chegam em corrente.
O truque aqui é conectar esta corrente do detector
com as oscilações do quartzo.
Quando as oscilações do quartzo desaceleram
isto é, ficam um pouco mais lentas,
a energia bombardeando os íons de césio
na câmara muda e menos íons de alta energia
deixam a câmara, e assim a corrente diminui ou para.
Isto diz para a parte eletrônica dar um pequeno \"choque\" no quartzo
e corrigir a frequência de oscilações.
Ele faz isso aplicando uma voltagem tal que,
via efeito piezo elétrico, bate no quartzo
e restaura sua oscilação.
Assim criando um relógio que perde menos do que
um segundo em um milhão de anos.
E nosso mundo necessita desta precisão.
Por exemplo, o Sistema de Posicionamento Global (GPS) é dependente dele.
O sistema de posicionamento global consiste em
24 satélites que orbitam a terra.
Um receptor de GPS usa a posição de quatro
destes satélites para se localizar.
Um para corrigir o horário no receptor
e três para localizar sua posição.
Olhe como funciona:
Um sinal é emitido para o receptor do primeiro satélite
que contem a posição do satélite
e o horário que o sinal deixou o satélite.
O receptor multiplica o tempo percorrido nesta viagem
pela velocidade da luz e calcula sua distância do satélite.
Com um satélite o receptor sabe que
está localizado em qualquer ponto de esfera em volta do satélite
que tenha o raio igual a distância calculada.
Assim, ele faz os mesmos calculos com o segundo satélite,
A interseção destas duas esfera limita
a localização possível ao perímetro de um círculo.
Então, com o terceiro satélite o receptor reduz
a localização à um único ponto.
Como os sinais estão viajando na velocidade da luz,
estar errado por um mero milisegundo representa um erro
de aproximadamente um milhão de pés, ou 300 quilometros.
Mas com a precisão do relógio atômico
o receptor pode se localizar com uma margem de erro de apenas um metro.
Eu me chamo Bill Hammack, \"the engineerguy\".
Este video é baseado em um capítulo do livro
\"Oito incríveis histórias de engenharia\" (Eight Amazing Engineering Stories)
O capítulo contem mais informações sobre este assunto.