O segundo deve ser redefinido? Crédito da imagem: CC BY 2.0 Derek Key

Avanços na ciência estão tornando possível medir a passagem do tempo com mais precisão do que nunca.

Ben Murdin - professor de fotônica e ciências quânticas da Universidade de Surrey - analisa por que os cientistas esperam redefinir a duração de um segundo.

Todo mundo precisa saber a hora. Desde que o inventor holandês do século 17, Christiaan Huygens, fez o primeiro relógio de pêndulo, as pessoas têm pensado em boas razões para medir o tempo com mais precisão.

Acertar o tempo é importante de muitas maneiras, desde operar uma ferrovia até fazer negociações de milissegundos no mercado de ações. Agora, para a maioria de nós, nossos relógios estão se comparando a um sinal de relógios atômicos, como aqueles a bordo dos satélites do sistema de posicionamento global (GPS).

Mas um estudo recente realizado por duas equipes de cientistas em Boulder, Colorado, pode significar que esses sinais ficarão muito mais precisos, ao abrir caminho para nos permitir redefinir o segundo com mais precisão. Os relógios atômicos poderiam se tornar tão precisos, de fato, que poderíamos começar a medir ondas gravitacionais até então imperceptíveis.

Breve história do tempo

Os relógios modernos ainda usam a ideia básica de Huygens de um oscilador com ressonância - como um pêndulo de comprimento fixo que sempre se move para frente e para trás com a mesma frequência, ou um sino que toca com um tom específico. Essa ideia foi muito melhorada no século 18 por John Harrison, que percebeu que osciladores menores e de frequência mais alta têm ressonâncias mais estáveis ​​e puras, tornando os relógios mais confiáveis.

Hoje em dia, a maioria dos relógios comuns usa um minúsculo pedaço de cristal de quartzo em forma de um diapasão musical em miniatura, com altíssima freqüência e estabilidade. Não mudou muito com este design de relógio nos últimos cem anos, embora tenhamos melhorado em torná-los mais baratos e mais reproduzíveis.

A grande diferença hoje em dia é a maneira como verificamos - ou "disciplinamos" os relógios de quartzo. Até 1955, você precisava continuar corrigindo seu relógio comparando-o com um fenômeno astronômico muito regular, como o Sol ou as luas de Júpiter. Agora disciplinamos os relógios contra as oscilações naturais dentro dos átomos.

O relógio atômico foi construído pela primeira vez por Louis Essen. Foi usado para redefinir o segundo em 1967, uma definição que permaneceu a mesma desde então.

Ele funciona contando a frequência de variação de uma propriedade quântica chamada spin nos elétrons dos átomos de césio. Esta ressonância atômica natural é tão nítida que você pode dizer se o sinal do relógio de cristal de quartzo se desvia em frequência em menos de uma parte em 10 ^ 15, isso é um milionésimo de um bilionésimo. Um segundo é oficialmente definido como 9.192.631.770 spin flips de elétrons de césio.

O fato de podermos fazer osciladores tão disciplinados com precisão torna a frequência e o tempo os mais precisamente medidos de todas as grandezas físicas. Enviamos sinais de relógios atômicos em todo o mundo e para o espaço via GPS. Qualquer pessoa com um receptor GPS em seu telefone celular tem acesso a um dispositivo de medição de tempo surpreendentemente preciso.

Se você pode medir o tempo e a frequência com precisão, então há todos os outros tipos de coisas que você também pode medir com precisão. Por exemplo, medir a frequência de rotação do spin de certos átomos e moléculas pode dizer a força do campo magnético que eles experimentam, portanto, se você puder encontrar a frequência com precisão, também terá encontrado a intensidade do campo com precisão. Os menores sensores de campo magnético possíveis funcionam dessa maneira.

Mas podemos fazer relógios melhores que nos permitam medir a frequência ou o tempo com ainda mais precisão? A resposta ainda pode ser a mesma que John Harrison descobriu, para aumentar a frequência.

A ressonância giratória de césio tem uma frequência correspondente a microondas, mas alguns átomos têm ressonâncias bem definidas para a luz óptica, um milhão de vezes mais alta em frequência. Os relógios atômicos ópticos têm mostrado comparações extremamente estáveis ​​entre si, pelo menos quando um par deles é colocado a apenas alguns metros de distância.

Os cientistas estão pensando se a definição internacional do segundo poderia ser redefinida para torná-la mais precisa. Mas para conseguir isso, os diferentes relógios ópticos que usaríamos para manter o tempo com precisão precisam ser confiáveis ​​para ler ao mesmo tempo, mesmo que estejam em laboratórios diferentes a milhares de quilômetros de distância. Até agora, esses testes de longa distância não têm sido muito melhores do que os relógios de microondas.

Relógios melhores

Agora, usando uma nova maneira de ligar os relógios com lasers ultrarrápidos, os pesquisadores mostraram que diferentes tipos de relógios atômicos ópticos podem ser colocados a alguns quilômetros de distância e ainda concordar em 1 parte em 10 ^ 18. Isso é tão bom quanto as medições anteriores com pares de relógios idênticos a algumas centenas de metros de distância, mas cerca de cem vezes mais preciso do que o obtido antes com relógios diferentes ou grandes distâncias.

Os autores do novo estudo compararam vários relógios baseados em diferentes tipos de átomos - itérbio, alumínio e estrôncio em seu caso. O relógio de estrôncio estava situado na Universidade do Colorado e os outros dois no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos, mais adiante.

O estudo conectou os relógios com um feixe de laser através do ar ao longo de 1,5 km de um prédio a outro, e essa ligação se mostrou tão boa quanto uma fibra óptica sob a estrada, apesar da turbulência do ar.

Mas por que precisamos de relógios tão precisos? Embora os átomos do relógio devam ser exatamente os mesmos onde quer que o relógio esteja e quem quer que o olhe, pequenas diferenças úteis podem aparecer quando as medições do tempo são tão precisas.

De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade distorce o espaço-tempo e podemos medir essa distorção. Relógios ópticos já foram usados ​​para detectar a diferença no campo gravitacional da Terra movendo-se apenas um centímetro de altura.

Com relógios mais precisos, talvez você pudesse sentir o estresse da crosta terrestre e prever erupções vulcânicas. Ondas gravitacionais produzidas por fusões de buracos negros distantes foram vistas - talvez agora sejamos capazes de detectar ondas muito mais fracas de eventos menos cataclísmicos usando um par de satélites com relógios ópticos.

 
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