Metrologia: Como medir um segundo? Ciência busca nova definição

A civilização moderna, dizem, seria impossível sem a medição. E a medição seria inútil se não estivéssemos todos usando as mesmas unidades.

Assim, por quase 150 anos, os metrologistas do mundo todo concordaram com definições estritas para as unidades de medida por meio do Escritório Internacional de Pesos e Medidas, conhecido por sua sigla francesa, BIPM, e com sede nos arredores de Paris.

Nos dias de hoje, a agência regula as sete unidades básicas que governam tempo, comprimento, massa, corrente elétrica, temperatura, intensidade da luz e quantidade de determinada substância. Juntas, essas unidades são a linguagem da ciência, da tecnologia e do comércio.

Os cientistas estão sempre refinando esses padrões. Em 2018, eles aprovaram novas definições para quilograma (massa), ampere (corrente elétrica), kelvin (temperatura) e mol (quantidade de substância). Com exceção do mol, todos os padrões são subservientes a um: o tempo.

O metro, por exemplo, é definido como a distância que a luz percorre no vácuo durante 1/299.792.458 de segundo. Da mesma forma, a nova definição do quilograma se baseia no segundo, de uma maneira que é complicada demais para explicar em menos de vários parágrafos.

Isso significa que conceitualmente – ainda que desajeitadamente – você pode expressar as outras unidades, como peso ou comprimento, em segundos.

“Você vai ao supermercado e diz: ‘Eu gostaria não de 1 quilo de batatas, mas de uma quantidade de segundos de batatas’”, disse Dimarcq.

Mas agora, pela primeira vez em mais de meio século, os cientistas estão prestes a mudar a definição do segundo, porque uma nova geração de relógios consegue medi-lo com mais precisão.

Em junho, os metrologistas do BIPM terão uma lista final de critérios que devem ser atendidos para estabelecer a nova definição. Dimarcq disse esperar que a maior parte seja cumprida até 2026 e que a aprovação formal aconteça até 2030.

Tudo deve ser feito com cuidado. A arquitetura da medição global depende do segundo. Então, quando a definição da unidade muda, sua duração não pode mudar.

“É uma coisa que acontece uma vez a cada cinquenta anos”, disse Elizabeth A. Donley, chefe da divisão de tempo e frequência do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, ou NIST, em Boulder, Colorado. Ela está no comitê consultivo internacional do BIPM com Dimarcq. “E é uma coisa muito importante que queremos acertar, com muito debate. É muito emocionante trabalhar nisso, com certeza”.

O tempo do césio

No passado, os humanos contavam o tempo olhando para os céus. Mas, desde 1967, os metrologistas definiram o tempo medindo o que acontece dentro do átomo – marcando, por assim dizer, o eterno batimento cardíaco do universo.

Mas o tempo ainda tem suas raízes e até sua nomenclatura na cronometragem astronômica. Originalmente, o tempo se baseava no caminho da Terra em seu giro diário, do dia para a noite e vice-versa. Então, os antigos astrônomos egípcios que usavam o sistema de contagem duodecimal, baseado no número 12, dividiram o dia e a noite em 12 horas cada, dando-nos as 24 horas do dia.

Essas horas variavam em duração, dependendo de onde a Terra estava em sua órbita em torno do Sol. Há pouco mais de 2 mil anos, os astrônomos gregos, que precisavam de horas fixas para calcular coisas como os movimentos da Lua, desenvolveram a ideia revolucionária de que um único dia deveria ser dividido em 24 horas de mesma duração.

Esse mesmo pensamento astronômico os levou a reaproveitar o antigo método babilônico de contar com base no número 60, o sistema sexagesimal, para definir a hora. E, assim como tinham dividido o círculo ou a esfera da Terra em 60 partes e, depois, mais uma vez em 60, constituindo os 360 graus, eles dividiram a hora.

A primeira divisão das 24 horas do dia (conhecida em latim como partes minutae primae) lhes deu a duração do minuto, que era 1/1.440 de um dia solar médio. A segunda divisão (partes minutae secundae) lhes forneceu a duração – e o nome – do segundo, que era 1/86.400 de um dia. Essa definição permaneceu até 1967. (Houve um breve desvio para algo chamado tempo das efemérides que era tão complicado que nem mesmo os metrologistas o usavam).

Mas a definição tinha problemas. A Terra está diminuindo gradualmente sua rotação diária: os dias estão ficando um pouco mais longos e, portanto, o segundo astronômico também. Essas pequenas diferenças se somam. Com base em extrapolações a partir de eclipses históricos e outras observações, a Terra perdeu mais de três horas nos últimos 2 mil anos.

Então, a unidade de tempo padrão, baseada em cálculos astronômicos, não é constante, uma realidade que se tornou cada vez mais intolerável para os metrologistas durante as primeiras décadas do século 20, quando se descobriu como a rotação da Terra era irregular. A ciência exige constância, confiabilidade e replicabilidade. O mesmo acontece com o tempo – e no final da década de 1960, a sociedade estava se tornando cada vez mais dependente das frequências dos sinais de rádio, que exigiam tempos extremamente precisos.

Os metrologistas se voltaram para o movimento muito mais previsível das partículas atômicas. Os átomos nunca se desgastam nem desaceleram. Suas propriedades não mudam com o tempo. São relógios perfeitos.

Em meados do século 20, os cientistas conseguiram que átomos de césio 133 mostrassem seus tiques secretos. O césio, um metal prateado-ouro que é líquido à temperatura ambiente, tem átomos pesados e lentos, o que significa que são relativamente fáceis de rastrear.

No caso do césio 133, a frequência é de quase 9,2 bilhões de tiques por segundo – 9.192.631.770, para ser mais preciso. O comprimento do segundo usado no experimento se baseou na duração do dia em 1957, quando estavam ocorrendo os experimentos científicos originais, e derivou de medições da Terra, da Lua e das estrelas. Em 1967, metrologistas do BIPM estabeleceram a ressonância de frequência natural do césio 133 como o comprimento oficial do segundo.

Apesar dessa definição baseada no césio, o tempo astronômico e o tempo atômico ainda estão inextricavelmente unidos. O tempo atômico precisa ser ajustado ocasionalmente para corresponder ao tempo astronômico porque a Terra continua a mudar seu ritmo a um compasso irregular, enquanto o tempo atômico permanece constante. Quando o tempo atômico fica quase um segundo mais rápido que o tempo astronômico, os cronometristas o param por um momento, permitindo que a Terra o alcance – inserem um segundo bissexto. Assim, mesmo que a duração do segundo não mude, a duração do minuto às vezes muda. Após uma inserção inicial de 10 segundos bissextos em 1972, os cronometristas agora adicionam um segundo bissexto ao tempo atômico a cada ano e meio, aproximadamente.

Além disso, por mais estranho que pareça, ainda contamos os segundos da era de 1957, mesmo com nossos relógios atômicos modernos. Isso porque a ressonância de frequência natural do césio 133 foi medida em 1957 e vinculada à duração do segundo astronômico naquele ano, fato que não mudará mesmo quando o segundo for redefinido mais uma vez.

Horário nobre

A redefinição está marcha porque os cientistas desenvolveram novos instrumentos chamados relógios atômicos ópticos. Estes operam com princípios semelhantes aos relógios de césio, mas medem átomos que têm uma ressonância de frequência natural muito mais rápida – ou seja, um tique. Essas frequências não estão na faixa de micro-ondas do espectro eletromagnético, mas sim na faixa visível, ou óptica – daí o nome.

Existem vários tipos de relógios ópticos, cada um contando os tiques de um átomo ou íon diferente – itérbio, estrôncio, mercúrio, alumínio e muito mais. Até agora, nenhum despontou como favorito para a próxima redefinição.

“Relógios ópticos definitivamente não estão prontos para o horário nobre”, disse Judah Levine, físico da divisão de tempo e frequência do NIST. “São apenas projetos de laboratório”.

Embora sejam construídos para examinar átomos minúsculos, a maioria dos relógios atômicos ópticos é enorme, do tamanho de uma mesa de jantar pesada. Alguns enchem todo um laboratório. Eles também são difíceis de operar.

“É preciso ter um monte de especialistas acorrentados à mesa, se é que você me entende”, disse Levine. “Não é só apertar um botão e ir embora”.

Ao todo, existem hoje cerca de vinte ou trinta relógios atômicos ópticos de todos os tipos, disse Donley.

Três deles estão em Boulder. Um relógio típico é instalado sobre uma laje de aço para isolá-lo das vibrações do piso. E está protegido contra distúrbios no campo magnético da Terra. Em seu centro há uma câmara de vácuo com cerca de 30 centímetros de diâmetro, contendo qualquer átomo ou íon que esteja sob escrutínio. Alguns relógios contêm um único íon. Outros têm milhares do mesmo tipo de átomo.

Alcançando novas alturas

Por que precisamos de tal precisão? Em parte, porque o tempo não é apenas tempo: está ligado e é influenciado pela gravidade e pela massa. O tempo também não é constante, apesar do que possa sugerir a existência de um padrão internacional. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein, por exemplo, prevê que o tempo se move mais lentamente quando está perto de um corpo de massa considerável, como um planeta, porque é retardado pela força da gravidade.

Isso significa que, quando o tique-taque de um relógio muda, mesmo que levemente, as condições físicas nas quais o relógio está situado também podem ter mudado. Conseguir ler essas mudanças abre a possibilidade de que os relógios possam detectar entidades como matéria escura ou ondas gravitacionais, disse Donley.

“São testes muito requintados de física fundamental, é uma das coisas mais interessantes dos relógios ópticos”, disse ela.

Uma experiência já foi realizada. Em 2015, os físicos do NIST estavam nos primórdios do desenvolvimento de seus relógios atômicos ópticos. Eles ficaram intrigados com o fato de que os segundos estavam apresentando medições ligeiramente diferentes nos relógios, os quais estavam em laboratórios espalhados por Boulder.

Aí eles pensaram na teoria da relatividade geral. Será que esses relógios ópticos estavam respondendo a pequenas mudanças na gravidade?

Eles pediram a ajuda de Derek van Westrum, físico da Agência Geodésica Nacional, que faz parte da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica. Em 2015 e 2018, van Westrum mediu as diferenças de altitude entre os laboratórios onde os relógios estavam instalados. Assim como o tempo, a altitude está ligada à gravidade e à massa.

Suas técnicas tradicionais de pesquisa de nivelamento, que medem a altitude acima do nível do mar, descobriram que os relógios estavam de fato em altitudes diferentes. As medições de tempo ligeiramente distintas estavam capturando variações minúsculas no campo gravitacional. Um relógio apenas 1 centímetro mais alto que outro corria mais rápido.

“Que a previsão maluca de Einstein sobre o que a massa e a gravidade fazem com o tempo realmente tenha uma aplicação prática, para mim é uma coisa simplesmente incrível”, disse van Westrum, rindo.

Se vários relógios atômicos ópticos pudessem ser colocados em diferentes partes do mundo, os geodesistas conseguiriam medir as diferenças entre eles e, portanto, as diferenças na altitude e no campo gravitacional, disse van Westrum. Por exemplo: uma rede montada perto de um rio inundado poderia explicar para onde a água flui e identificar rotas de fuga para os moradores.

Tais possibilidades estão no futuro. Hoje, os físicos ainda estão tentando fazer com que os relógios ópticos conversem entre si à distância, um imperativo para a marcação do tempo. Relógios ópticos não podem se comunicar de forma eficiente em sistemas de satélite, por exemplo, porque a hora do satélite ainda não é óptica.

Os físicos estão avançando. Um experimento recente no NIST, publicado na revista Nature no ano passado, ligou os três relógios em Boulder através de fibra óptica.

E os cientistas estão olhando mais uma vez para os céus em busca de ajuda. Agora, porém, não é para rastrear os movimentos de planetas ou estrelas, mas para usar informações de muito além de nossa galáxia.

Usando interferometria, pesquisadores na Itália e no Japão recentemente tentaram conectar dois relógios atômicos ópticos a cerca de 9 mil quilômetros de distância. O experimento envolveu várias antenas lendo sinais de rádio do espaço sideral distante e, em seguida, ligando as informações a relógios atômicos.

Funcionou e, por um momento, o tempo e o espaço se fundiram, mediados pelas estrelas./

Crédito: Alanna Mitchell, The New York Times – Tradução de Renato Prelorentzou no O Estado de São Paulo – @ disponível na internet 30/04/2022