A busca pelo relógio mais preciso para medir o tempo (e por que ele é tão importante)

O tempo é vital para o funcionamento da nossa vida quotidiana: desde os relógios digitais nos nossos pulsos até aos sistemas GPS dos nossos telemóveis.

Os sistemas de comunicação e navegação, as redes elétricas e as transações financeiras dependem de um timing preciso.

E os segundos são as unidades vitais para medir o tempo.

Surpreendentemente, ainda há debate sobre a definição deste último, mas avanços recentes nas formas mais precisas de medir o tempo pode ter mudou as regras do jogo.

A precisão na medição do tempo sempre fez parte 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 salão e a câmara nos dias mais curtos do ano, por volta de 21 de dezembro, solstício de inverno do hemisfério norte.

Cerca de 2.300 anos atrás, 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.

As ampulhetas de água, que surgiram por volta de 2.000 aC, estão entre os instrumentos mais antigos para medir o tempo. Eles fazem isso regulando o fluxo de água para dentro ou para fora de um recipiente.

O relógio mecânico surgiu no final do século XIII.

Pergunta 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?¹.

Se você está confuso, deixe-me explicar. O núcleo desta definição é algo chamado frequência de transição. Uma transição ocorre quando os elétrons de um átomo absorvem energia e passam para um nível de energia mais elevado, retornando a um estado relaxado após um certo tempo.

É um pouco 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 usando 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, de contar incorretamente 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 estas últimas) 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 eles será um novo sinal com uma frequência pequena e fácil de medir: a frequência de 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 essenciais para a obtenção de medições de alta precisão de um sinal de referência.

Dos relógios atômicos aos relógios nucleares

Como vimos, o segundo é definido pelas transições eletrônicas nos átomos de césio. As transições que ocorrem com uma frequência mais baixa são mais fáceis de medir. Mas aqueles que ocorrem com maior frequência ajudam a aumentar a precisão da medição.

As transições do césio ocorrem aproximadamente na mesma frequência no espectro eletromagnético de microondas.

Essas frequências de microondas são mais baixas que as da luz visível. Mas em setembro de 2021, os cientistas realizaram medições utilizando o elemento estrôncio, cuja frequência de transição é superior à do césio e está dentro da faixa da luz visível.

Isto 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 à frente em relação a um relógio atômico.

Ao contrário do relógio atómico, 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 neste 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 operasse 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 podemos 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.

Isto significa que, embora tenha sido medido com uma precisão inferior à do actual 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.

Pensemos em dois corredores empatados numa corrida com definição fotográfica. Se o cronômetro do árbitro tivesse alguns dígitos extras, eles poderiam identificar o vencedor sem a necessidade de auxílio 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 fornecer-nos-á a tecnologia necessária para provar estas 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 passar 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 em A conversa e reproduzido sob a licença Creative Commons. Clique aqui para ler o versão original (Em inglês).