Como os novos relógios atômicos podem redefinir o segundo

O modelo mais preciso da atualidade atrasa um décimo de segundo a cada 13,8 bilhões de anos. Melhorar essa marca, porém, segue sendo importante para os cientistas

O segundo é a unidade oficial de medida de tempo adotada pelo SI (Sistema Internacional de Unidades). Até a década de 1960, ele era definido como a “fração 1/86.400 de um dia solar médio”. A conta é simples: como um dia tem 24 horas, cada hora tem 60 minutos e cada minuto, 60 segundos, o total de segundos em um dia é de 86.400. Ou seja, 1 segundo seria a menor parte do tempo total que a Terra demora para completar o movimento de rotação - dar a volta em torno de si mesma.

A definição, porém, não é correta. Isso porque o movimento terrestre em questão não é constante. Graças a fatores como a ação gravitacional da Lua, por exemplo, a rotação da Terra vem ficando cada vez mais lenta, o que impacta diretamente a duração dos nossos dias.

Estima-se que, há algumas centenas de milhares de anos, tínhamos rotações mais rápidas, e, por isso, um ano terrestre equivalia a cerca de 400 dias. Como o conceito de “dia solar médio” não é preciso, já que essa média se altera com o tempo, nossa medição poderia variar segundos em alguns séculos.

Foi pensando em melhorar essa precisão que, em 1967, na 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, o SI revogou o modelo. Passou-se a adotar o relógio atômico de césio como oficial.

A medição é feita dessa maneira até hoje. No entanto, graças aos avanços cada vez mais importantes na área, o modelo atual tem cada vez mais chance de ser substituído nos próximos anos.

Como funciona um relógio atômico

A forma como um relógio marca o tempo considera a repetição de determinada ação. Essa ação pode ser, por exemplo, o movimento de um pêndulo de um lado para o outro.

Nos relógios analógicos, a passagem do tempo se dá a partir das vibrações de um fragmento de cristal de quartzo. O mineral vibra fisicamente quando atravessado por uma corrente elétrica - gerada pela pilha do relógio. Essas vibrações geram impulsos que movem as engrenagens dos ponteiros. O deslocamento do ponteiro, por fim, indica a passagem dos segundos.

Um mecanismo semelhante explica também o funcionamento dos relógios atômicos. Nesse caso, o movimento considerado são as alterações de estados de energia dos átomos. Por serem bem mais constantes que o balanço de um pêndulo, por exemplo, esses movimentos conseguem determinar o tempo com eficácia muitas vezes maior.

No caso do césio, descobriu-se que sua estrutura eletrônica poderia ser alterada se um átomo em repouso fosse excitado com uma carga específica de micro-ondas eletromagnéticas. Quando perturbados por esse tipo de radiação, elétrons de níveis chamados “hiperfinos” ganham a energia necessária para “pular” de camada, numa movimentação atômica já bastante estudada na física.

A frequência de microondas necessária para essa mudança é de 9.192.631.770 Hertz, ou quase 9,2 GHz. Por conta disso, a duração de um segundo ficou estabelecida como a “duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133”, segundo definição do Sistema Internacional. Ou seja, a cada 9.192.631.770 oscilações dos elétrons desses átomos, tem-se a passagem de um segundo.

A forma como medimos o tempo, no entanto, permanece não sendo totalmente exata em níveis absolutos. Relógios atômicos atuais, feitos a base de césio, “atrasam” 1 segundo a cada 200 milhões de anos. É pouco. Porém, há pesquisadores insatisfeitos com essa (im)precisão.

Os relógios atômicos mais precisos atualmente substituíram o césio, e são feitos de estrôncio (38), itérbio (70) e outros elementos da família dos alcalino-terrosos. Ao invés de micro-ondas eletromagnéticas, passaram a adotar tecnologia óptica: para serem estimulados, os elétrons são bombardeados com luz de alta frequência.

O principal centro de referência nesse tipo de estudo é o NIST (sigla em inglês para Instituto Nacional de Padrões e Tecnologias), da Universidade do Colorado, nos Estados Unidos. Pesquisadores de lá conseguiram, em 2015, desenvolver um relógio atômico de estrôncio que, de tão preciso, atrasaria 1 segundo em 15 bilhões de anos. Essa quantidade de tempo é maior que a idade estimada ao universo, que está na casa dos 13,8 bilhões.

Um estudo de março de 2018, porém, conseguiu melhorar ainda mais o atual recorde - quebrado outras vezes pela mesma instituição nos últimos anos. Cientistas do Instituto Conjunto do Laboratório de Astrofísica, também ligado à Universidade do Colorado, construíram um relógio de estrôncio com imprecisão de 100 millisegundos em relação à idade do universo. Isso quer dizer que, quando o cosmos tiver o dobro da idade atual, a marcação do tempo estará defasada em apenas um décimo de segundo.

Por que essa precisão é necessária

A rigor, não faz diferença alguma para você chegar alguns milionésimos atrasado em um compromisso porque seu relógio não tem precisão atômica. No entanto, pequenas diferenças na forma como medimos o tempo podem impactar significativamente outros serviços tecnológicos bastante comuns.

O exemplo mais popular são os serviços de geolocalização (como o GPS), que precisam de um tempo ultrapreciso para refinar a indicação de posicionamento. A navegação espacial, serviços na área de telecomunicações, da exploração mineral e de detecção de abalos sísmicos, por exemplo, também podem se beneficiar de equipamentos mais precisos.

Em entrevista à revista Science, Patrick Gill, físico de lasers do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido, estima que as mudanças na forma como entendemos o segundo devam ser incorporadas já nos próximos anos. De acordo com Gill, um prazo razoável para que a metrologia mundial seja atualizada é na Conferência Geral de Pesos e Medidas de 2026.

O evento, realizado a cada quatro anos na sede do Sistema Internacional de Unidades em Paris, na França, tem como objetivo analisar a situação da metrologia pelo mundo. Na edição de 2018, que acontecerá em novembro, pretende-se aprovar novas definições de quatro outras unidades métricas: o quilograma, o ampere (usado para medir corrente elétrica) o kelvin (temperatura) e o mol (quantidade de partículas).

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