Os satélites emitem continuamente sinais que informam a hora e a posição no momento da transmissão. Esses sinais chegam às bases de controle terrestre
e aos receptores comerciais viajando à velocidade da luz – 300 mil quilômetros por segundo. Portanto, é possível calcular a distância entre o satélite
e o receptor multiplicando-se a velocidade da luz pela diferença entre o tempo da chegada do sinal no receptor e o tempo da saída no satélite.

Os receptores de GPS, detectam, decodificam e processam os sinais emitidos pelos satélites, de forma a apontar com precisão a sua localização

Ao se medir simultaneamente as distâncias de um determinado ponto em relação a quatro satélites, é possível determinar latitude, longitude, altitude e o
tempo local do receptor naquele ponto. É por isso que as órbitas foram escolhidas de modo que, em qualquer ponto da superfície da Terra, em qualquer momento,
um receptor visualize no mínimo quatro satélites.

Para quem domina os conceitos físicos e matemáticos pertinentes, a idéia é simples, mas a sua realização é extremamente complexa. Em primeiro lugar, os tempos
de todos os satélites têm que estar sincronizados o mais próximo possível da perfeição. Pequenos erros na sincronização implicam grandes erros na localização
dos receptores. Se desejarmos, por exemplo, medir a posição do receptor com um erro inferior a um metro, o erro na sincronização não pode ser superior
a 4 nanossegundos (nanossegundo é a bilionésima parte do segundo).

Tal precisão só é possível com o uso de relógios atômicos. Para se ter uma idéia do que isso significa, basta fazer a correspondência para a medida de
distância. Se o raio da Terra fosse medido com a mesma precisão, a retirada de um átomo da superfície seria detectada.

Tique-taque atômico
Qualquer medida de tempo está associada à medida da freqüência de um fenômeno periódico. Um exemplo clássico é o do físico italiano Galileu Galilei (1564-1642)
que, nos seus primeiros experimentos, usou a freqüência das batidas do seu coração para medir o período de oscilação dos seus pêndulos. O tique-taque desse
relógio biológico pode ser ouvido com um estetoscópio.

Os antigos relógios de parede transformavam os períodos dos seus pêndulos em medida de tempo. A freqüência era perceptível pelo tique-taque sonoro. Os
relógios que costumamos usar em nossos pulsos são fabricados com um cristal de quartzo. O tempo é medido a partir da freqüência de oscilação resultante
do efeito piezoelétrico. O romântico tique-taque desapareceu, mas a precisão aumentou.

A arte compara o funcionamento dos relógios de cristais de quartzo e dos relógios atômicos
Em 1949, a freqüência de tunelamento do nitrogênio na molécula de amônia (NH 3 ) foi utilizada para a fabricação do primeiro relógio atômico. Nessa molécula,
o átomo de nitrogênio pode ocupar mais de um lugar. Ele muda de um para outro por meio de um processo de tunelamento, com freqüência igual a 24 GHz. É a constância dessa freqüência que possibilita o seu uso em um relógio atômico.

A idéia era revolucionária, mas o resultado não foi animador: o relógio era apenas um pouco melhor do que os existentes. Seis anos depois, o físico inglês
Louis Essen (1908-1997), em colaboração com Jack Parry, inventou o modelo que até hoje é utilizado como padrão, confeccionado com o isótopo 133 do átomo
de césio (Cs-133). Embora a literatura tenha consagrado a denominação relógio atômico, esse instrumento é na verdade um padrão atômico de freqüência. Na
prática, ele serve para calibrar cristais de quartzo que de fato funcionam como registradores de tempo. Veremos mais adiante quais são os componentes básicos
de um relógio atômico.

Funcionamento quântico
O princípio de funcionamento desse relógio baseia-se na teoria quântica. No mundo microscópico, onde vale essa teoria, a ocupação de espaço e a energia
deixam de ser contínuos. Um elétron não pode ocupar um espaço qualquer no interior de um átomo, nem possuir qualquer valor de energia: há regras bem determinadas
para isso.

Usemos uma analogia para uma melhor visualização da questão. Imagine um prédio muito especial, sem escadas ou elevadores. O acesso só é possível externamente,
por meio de uma escada. Nesse caso, as pessoas só poderão se encontrar nos pisos dos andares. Jamais encontraremos alguém entre os andares, como seria
o caso se existisse uma escada interna.

Nesse prédio, para ir de um andar superior para outro inferior, basta pular – a gravidade faz o serviço. Já para ir de um andar inferior para outro superior,
temos que ter energia para o salto. É algo assim que ocorre no interior de um átomo. Os físicos costumam denominar de níveis atômicos – ou níveis de energia,
ou ainda estados eletrônicos – os “andares” no interior de cada átomo. Em seu estado normal, cada espécie tem seus níveis bem determinados e imutáveis.
Essa imutabilidade é que permite a existência do relógio atômico.

O elétron necessita de energia para atingir um nível superior. Quando isso ocorre, diz-se que o átomo está em um estado excitado. Depois de aproximadamente
10 nanossegundos, o elétron retorna ao nível inferior e libera a energia recebida. O átomo retorna ao seu estado de equilíbrio, mais conhecido pela denominação
estado fundamental.

A energia libertada aparece sob a forma de um fóton, partícula associada a uma onda eletromagnética, de freqüência proporcional à separação de energia dos
dois níveis eletrônicos. A energia fornecida (e libertada) também é proporcional à separação de energia dos níveis. Esse fenômeno é denominado ressonância
eletrônica.

A ressonância ocorre porque a onda eletromagnética incidente tem a mesma freqüência definida pela separação dos níveis atômicos. Como os níveis são praticamente
imutáveis, a freqüência ressonante – ou freqüência de transição de um determinado estado para outro – é constante. Não há nada mais interessante para um
relógio de precisão do que a existência de uma freqüência quase imutável.

Nova definição de segundo
A estrutura eletrônica do Cs-133 apresenta um nível – conhecido como nível hiperfino do estado fundamental – que pode ser excitado com microondas na freqüência
de 9192631770 Hertz, ou cerca de 9,2 gigahertz. Não foi preciso mais do que uma dezena de trabalhos posteriores ao invento de Essen e Parry para demonstrar
que a transição do césio tinha todas as propriedades para constituir um padrão de medida de tempo.

Em 1967, a 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas adotou uma nova definição para o segundo, a unidade de tempo do Sistema Internacional. De acordo com
essa definição, o segundo é a duração de 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental
do átomo de césio 133.

O modelo mais difundido de relógio atômico contém uma fonte de átomos de césio em estado gasoso, um gerador de microondas para excitar os átomos e um oscilador
de quartzo para a contagem do tempo. O processo operacional envolve, entre outras coisas, a passagem do feixe atômico através de uma cavidade de microondas.
É nesse transcurso que os átomos são observados para a medida do tempo.

Dois fatores dificultam a qualidade da medida. O primeiro é a temperatura dos átomos. Quanto maior for ela, maior será o movimento dos átomos e menos precisa
será a medida da freqüência de ressonância. O ideal seria que os átomos pudessem manter-se imóveis, mas isso é impossível. A alternativa é baixar a temperatura
dos átomos tanto quanto possível. O outro fator de imprecisão é o tempo durante o qual o átomo é observado na cavidade ressonante. Para melhorar essa medida,
é interessante aumentar o tempo de observação.

Chafariz atômico
Para enfrentar essas dificuldades, vários laboratórios em diversos países, incluindo os Institutos de Física da Universidade de São Paulo (USP) em São
Carlos e da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), estão investigando uma revolucionária solução conhecida como chafariz atômico.

Esse termo foi inspirado no que acontece no verdadeiro chafariz: a água expelida pela fonte sobe até certa altura, pára e começa a cair. No caso atômico,
os átomos são inicialmente resfriados com o auxílio de raios laser até atingirem uma temperatura próxima do zero absoluto; depois, são lançados verticalmente
para cima, no interior da cavidade ressonante. A baixa temperatura aumenta a resolução na medida da freqüência e o lançamento vertical para cima permite
que o átomo seja examinado duas vezes – uma na subida e outra na descida.