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 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.
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.
Fonte: Por Vittorio
Aita, para The Conversation
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