A cronometragem está à beira de um salto gigante em precisão. Aqui está o porquê.

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

Sistemas de comunicação, redes elétricas e transações financeiras todos confiam no tempo de precisão. Os segundos são as unidades vitais de medida na cronometragem.

Surpreendentemente, ainda há debate sobre a definição do segundo. Mas os avanços recentes nas formas mais precisas de cronometragem do mundo podem ter simplesmente mudado o jogo.

A cronometragem precisa sempre fez parte da evolução social da humanidade. No monumento neolítico de Newgrange na Irlandauma abertura especial acima da entrada permite que a luz solar ilumine a passagem e a câmara nos dias mais curtos do ano, por volta de 21 de dezembro, solstício de inverno.

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.

Relógios de águaque 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 uma embarcação. O relógio mecânico foi então estabelecido no final do século XIII.

Até 1967, um segundo era definido como 1/86.400 de um dia, com vinte e quatro horas por dia, sessenta minutos por hora e 60 segundos por minuto (24 x 60 x 60 = 86.400).

O Sistema Internacional de Unidades então mudou as coisas, contentando-se com esta definição:

O segundo… é definido tomando a… frequência de transição do átomo de césio-133 como 9.192.631.770 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 acontece quando os elétrons em um átomo absorvem energia e passam para um nível de energia mais alto, retornando a um estado relaxado após algum tempo.

É um pouco como beber uma xícara de café: de repente você tem mais energia, até que o efeito da cafeína passe. A frequência é o número esperado de vezes que uma transição ocorre durante um período de tempo específico.

Em cada tick do segundo, uma transição específica de um elétron de césio-133 ocorre 9.192.631.770 vezes. Este se tornou o parâmetro 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 uma única leitura incorreta pode prejudicar a precisão total. Se houvesse cinquenta transições por segundo, o custo em termos da precisão da contagem errada de uma seria cem vezes mais grave do que se houvesse 5.000.

Existem duas limitações na redução deste erro: os desafios tecnológicos de medição de frequências, especialmente as mais altas; e a necessidade de encontrar um sistema – átomos de césio-133 para o segundo – com uma transição mensurável de alta frequência.

Para medir uma frequência desconhecida, os cientistas pegam num sinal de frequência conhecida – uma referência – e combinam-no com a frequência que pretendem 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 usa lasers, emitidos em pulsos intermitentes. Esses feixes contêm muitas ondas de luz diferentes, cujas frequências são igualmente espaçadas, como os dentes de um pente – daí o nome.

Nos relógios atômicos, um pente de frequência é usado para transferir energia para milhões de átomos simultaneamente, esperando que um dos dentes do pente bata com a frequência de transição de um átomo.

Um pente de frequência cujos dentes são numerosos, finos e na faixa certa de frequências aumenta as chances de isso acontecer. Eles são, portanto, essenciais para obter medições de alta precisão de um sinal de referência.

Dos relógios atômicos aos 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 frequência mais alta ajudam a aumentar a precisão da medição.

As transições do césio ocorrem aproximadamente na mesma frequência no espectro eletromagnético que as microondas. Essas frequências de microondas são mais baixas que as da luz visível.

Mas em setembro de 2021os cientistas fizeram medições usando o elemento estrôncio, cuja frequência de transição é maior que a 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 dos EUA fez avanços importantes rumo à construção de um relógio nuclear – um passo além de um relógio atómico. Ao contrário do relógio atómico, a transição medida por este novo dispositivo acontece no núcleo, ou núcleo, do átomo (daí o nome), o que lhe confere uma frequência ainda mais elevada.

O tório-229, o átomo utilizado neste estudo, oferece uma transição nuclear que pode ser excitada pela luz ultravioleta. A equipe que trabalha no relógio nuclear superou o desafio tecnológico de construir um pente de frequência que funciona na faixa de frequência relativamente alta da luz ultravioleta.

Este foi um grande passo em frente porque as transições nucleares normalmente só se tornam visíveis em frequências muito mais altas – como as da radiação gama. Mas ainda não somos capazes de medir com precisão as transições na faixa gama.

A transição do átomo de tório tem uma frequência cerca de 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 poderiam fazer os relógios nucleares, permitiria aos cientistas estudar processos muito rápidos. Pense em dois corredores empatados em um photo finish. Se o cronômetro do árbitro tivesse alguns dígitos extras, eles seriam capazes de identificar o vencedor.

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 dará 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 necessário para um sinal saltar 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 para o segundo césio pode ter acabado, mas um mundo totalmente novo o aguarda.

Vittorio AitaPesquisador Associado, Departamento de Física, King's College Londres

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