A busca pelo relógio mais preciso para medir o tempo (e por que ele é tão importante)
O elemento químico césio ajudou a fornecer a definição mais precisa do segundo, mas a porta está aberta para alcançar ainda mais precisão e revolucionar alguns processos, como a geolocalização por GPS.
O tempo é vital para o funcionamento da nossa vida cotidiana: desde os relógios digitais nos nossos pulsos até os sistemas GPS dos nossos celulares.
Os sistemas de comunicação e navegação, as redes elétricas e as transações financeiras dependem da precisão do tempo.
E os segundos são as unidades vitais para medir o tempo.
Surpreendentemente, ainda há um debate sobre a definição do segundo, mas os avanços recentes nas formas mais precisas de medir o tempo podem ter mudado as regras do jogo.
A precisão na medição do tempo sempre fez parte da evolução social da humanidade. No monumento neolítico de Newgrange, na Irlanda, uma abertura especial acima de uma entrada permite que a luz solar ilumine o corredor e a câmara nos dias mais curtos do ano, por volta de 21 de dezembro, no solstício de inverno do hemisfério norte.
Há cerca de 2.300 anos, Aristóteles disse que "a revolução da esfera mais externa dos céus" deveria ser a referência para medir o tempo.
O filósofo grego acreditava que o cosmos estava organizado em esferas concêntricas, com a Terra no centro.
Ampulhetas de água, que surgiram por volta de 2.000 a.C. estão entre os instrumentos mais antigos para medir o tempo. Elas fazem isso regulando o fluxo de água para dentro ou para fora de um recipiente.
O relógio mecânico surgiu no final do século 13.
Questão de definição
Até 1967, um segundo era definido como 1/86.400 de um dia, com 24 horas por dia, 60 minutos por hora e 60 segundos por minuto (24 x 60 x 60 = 86.400).
O Sistema Internacional de Unidades mudou as coisas e manteve esta definição:
O segundo… é definido tomando a… frequência de transição do átomo de césio-133, que é 9192631770 quando expressa na unidade Hz, que é igual a s⁻¹.
Se você está confuso, deixe-me explicar. O núcleo desta definição é algo chamado frequência de transição. Uma transição ocorre quando os elétrons em um átomo absorvem energia e passam para um nível de energia mais elevado, retornando a um estado relaxado após certo tempo.
É mais ou menos como beber uma xícara de café: de repente você tem mais energia, até que o efeito da cafeína passe. Frequência é o número esperado de vezes que uma transição ocorre durante um período específico de tempo.
Em cada segundo, uma transição específica de um elétron do césio-133 ocorre 9192631770 vezes. Este se tornou o critério para medir o tempo.
Até o momento, o césio fornece a definição mais precisa do segundo, mas pode ser melhorado com o uso de frequências mais altas.
Quanto maior a frequência de transição, menos um erro de leitura pode afetar a precisão geral. Se houvesse cinquenta transições por segundo, o preço em termos de precisão da contagem incorreta de uma delas seria cem vezes maior do que se houvesse 5.000.
Os desafios
Existem duas limitações para reduzir este erro: os desafios tecnológicos de medição de frequências, especialmente as mais altas, e a necessidade de encontrar um sistema (átomos de césio-133 para a segunda), com uma transição mensurável de alta frequência.
Para medir uma frequência desconhecida, os cientistas pegam um sinal de frequência conhecida (uma referência) e combinam-no com a frequência que desejam medir.
A diferença entre elas será um novo sinal com uma frequência pequena e fácil de medir: a frequência do batimento.
Os relógios atômicos usam essa técnica para medir a frequência de transição dos átomos com tanta precisão que se tornam padrões para definir o segundo.
Para alcançar tal precisão, os cientistas precisam de um sinal de referência confiável, obtido com algo chamado pente de frequência.
Um pente de frequência ou pente espectral usa lasers, emitidos em pulsos intermitentes. Esses raios contêm muitas ondas de luz diferentes, cujas frequências são igualmente espaçadas, como os dentes de um pente, daí o seu nome.
Nos relógios atômicos, um pente de frequência é usado para transferir energia para milhões de átomos simultaneamente, na esperança de que um dos dentes do pente pulse com a frequência de transição de um átomo.
Um pente de frequência cujos dentes são numerosos, finos e na faixa de frequência correta aumenta a probabilidade de isso acontecer. Portanto, eles são fundamentais para obter medições de alta precisão de um sinal de referência.
Dos relógios atômicos aos relógios nucleares
Como vimos, o segundo é definido pelas transições de elétrons nos átomos de césio. As transições que ocorrem com uma frequência mais baixa são mais fáceis de medir. Mas aquelas que ocorrem com frequência mais alta ajudam a aumentar a precisão da medição.
As transições de césio ocorrem aproximadamente na mesma frequência do espectro eletromagnético das microondas.
Essas frequências de microondas são mais baixas que as da luz visível. Mas em setembro de 2021, os cientistas fizeram medições utilizando o elemento estrôncio, cuja frequência de transição é superior à do césio e está dentro da faixa da luz visível.
Isso abre a possibilidade de redefinir o segundo até 2030.
Em setembro de 2024, cientistas americanos fizeram avanços importantes na construção de um relógio nuclear, um passo adiante de um relógio atômico.
Ao contrário do relógio atômico, a transição medida por este novo dispositivo ocorre no núcleo do átomo (daí o nome), conferindo-lhe uma frequência ainda mais elevada.
O átomo de tório-229, utilizado para este estudo, oferece uma transição nuclear que pode ser estimulada pela luz ultravioleta. A equipe que trabalha no relógio nuclear superou o desafio tecnológico de construir um pente que opera na faixa de frequência relativamente alta da luz ultravioleta.
Este foi um grande passo porque as transições nucleares normalmente só se tornam visíveis em frequências muito mais altas, como as da radiação gama. Mas ainda não conseguimos medir com precisão as transições na faixa gama.
O que virá
A transição do átomo de tório tem uma frequência aproximadamente um milhão de vezes maior que a do átomo de césio.
Isso significa que, embora tenha sido medido com uma precisão inferior à do atual relógio de estrôncio de última geração, promete uma nova geração de relógios com definições de segundos muito mais precisas.
Medir o tempo até a décima nona casa decimal, como faziam os relógios nucleares, permitiria aos cientistas estudar processos muito rápidos.
Vamos pensar em dois corredores empatados em uma corrida com definição fotográfica. Se o cronômetro do árbitro tivesse alguns dígitos extras, eles poderiam identificar o vencedor sem a necessidade do recurso visual.
Da mesma forma, a relatividade geral é usada para estudar processos de alta velocidade que poderiam levar a sobreposições com a mecânica quântica. Um relógio nuclear nos proporcionará a tecnologia necessária para provar essas teorias.
A nível tecnológico, sistemas de posicionamento precisos, como o GPS, baseiam-se em cálculos complexos que requerem medições precisas do tempo que leva para um sinal sair de um dispositivo para um satélite e para outro dispositivo.
Uma melhor definição do segundo se traduzirá em um GPS muito mais preciso. O tempo do segundo de césio pode ter acabado, mas, para além dele, um mundo totalmente novo nos espera.
*Vittorio Aita é pesquisador associado do departamento de Física do King's College, em Londres.
Este artigo foi publicado no The Conversation e reproduzido sob a licença Creative Commons. Clique aqui para ler a versão original (em inglês).
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