O que é um relógio atômico e como ele funciona?

Se você já leu Como funcionam os receptores GPS, sabe que os relógios atômicos são extremamente importantes para esse sistema. Você também pode ter ouvido falar sobre relógios atômicos em anúncios de novos relógios automaticamente sincronizados com o relógio atômico de Boulder, Colorado, EUA. Os relógios atômicos também são importantes para diversas finalidades científicas.
O trabalho de um relógio é manter um registro da passagem de tempo. Todos os relógios fazem isto contando os "tiques" de um "ressonador".
Em um relógio de pêndulo, o ressonador é um pêndulo e as engrenagens do relógio registram o tempo contando as ressonações (os movimentos de um lado para o outro) do pêndulo. O pêndulo normalmente ressoa a uma freqüência de um movimento por segundo. Um relógio digital usa as oscilações da linha de energia (60 ciclos por segundo nos EUA, 50 ciclos por segundo na Europa) ou as oscilações de um cristal de quartzo como o ressonador, e conta usando contadores digitais. A precisão do relógio é determinada pela precisão do ressonador na freqüência especificada.
Um relógio atômico é um relógio que utiliza as frequências de ressonância dos átomos como seu ressonador. De acordo com a Enciclopédia Britânica, o ressonador é "regulado pela freqüência da radiação eletromagnética por microondas emitidas ou absorvidas pela transição de quantums (alteração de energia) de um átomo ou molécula" (consulte o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia para obter um diagrama e a descrição do processo).
A vantagem dessa abordagem é que os átomos ressoam a freqüências extremamente consistentes. Se você pegar um átomo de césio e fizer com que ele ressone, ele ressonará exatamente na mesma freqüência de qualquer átomo de césio. O Césio-133 oscila a 9.192.631.770 de ciclos por segundo. Este tipo de precisão é completamente diferente da precisão de um relógio de quartzo. Em um relógio de quartzo, o cristal de quartzo é fabricado de forma que sua freqüência de oscilação fique próxima de alguma freqüência padrão, porém, as tolerâncias de fabricação fazem com que cada cristal seja ligeiramente diferente, e detalhes como a temperatura irão alterar a freqüência. Um átomo de césio sempre ressona na mesma freqüência identificada - e é isso que os torna tão precisos.