Como funcionam os relógios atômicos, sem os quais o mundo moderno afundaria no caos:bwinners 0

bwinners 0 Em um laboratóriobwinners 0Londres, existe uma caixa preta alta sobre rodas, montadabwinners 0um invólucro protetorbwinners 0aço. Nela, há um aviso que diz: "Não toque no maser".

É uma caixa bem importante, e há uma razão para o aviso. O aparelho dentro da caixa não é perigoso, mas, se mexermos nele, podemos simplesmente interferir no tempo.

Trata-sebwinners 0um dos poucos aparelhos deste tipo, instalado no Laboratório Nacionalbwinners 0Física (NPL, na siglabwinners 0inglês), no sudoestebwinners 0Londres. Ele ajuda a garantir que o mundo tenha um senso comum e precisobwinners 0segundos, minutos e horas.

Eles são chamadosbwinners 0masersbwinners 0hidrogênio — são relógios atômicos extremamente importantes. Ao todo, são cercabwinners 0400 aparelhos similares, espalhados pelo mundo, que ajudam a definir que horas são, neste exato momento, com precisãobwinners 0nanossegundos.

Sem estes relógios — e as pessoas, a tecnologia e os procedimentos que os rodeiam —, o mundo moderno afundaria lentamente no caos. Para muitas indústrias e tecnologiasbwinners 0que dependemos, desde a navegação via satélite até os telefones celulares, o tempo é "o insumo escondido".

Mas como conseguimos chegar a este sistema compartilhadobwinners 0cálculo do tempo, como ele mantémbwinners 0precisão e o que podemos fazer para que ele evolua no futuro?

Para responder a estas perguntas, é preciso olhar além do mostrador do relógio e explorar o que é, na verdade, o tempo. Investigando mais a fundo, logo descobriremos que o tempo é mais uma construção humana do que parece à primeira vista.

A sincronização do tempo

Nem sempre o mundo manteve o mesmo horário. Isso foi impossível por séculos, e o tempo somente podia ser definido localmente pelo relógio mais próximo. Naquela época,bwinners 0um lugar era meio-dia, mas no final da rua eram 12h15.

Ainda nos anos 1800, os Estados Unidos operavam com centenasbwinners 0padrõesbwinners 0tempo diferentes, definidos pelas cidades e pelos gerentes das ferrovias locais. Isso ocorria,bwinners 0parte, porque não havia uma forma viávelbwinners 0sincronizar todos os relógiosbwinners 0um país, que dirábwinners 0todo o planeta.

Em grande parte da história humana, isso não tinha importância. As pessoas trabalhavam quando precisavam, não viajavam para longe e, se quisessem saber a hora, bastava observar um relógiobwinners 0Sol, a torrebwinners 0um relógio ou ouvir os sinos da igreja ou um chamado para oração.

Mas, à medida que a era industrial avançava, ficou claro que esta situação não podia continuar. E,bwinners 0alguns casos, podia ser mortal.

Em meados dos anos 1800, por exemplo, dois trens colidirambwinners 0frente na região da Nova Inglaterra, nos Estados Unidos, matando 14 pessoas — tudo porque um dos condutores usava um "relógio emprestadobwinners 0má qualidade", que não estava sincronizado com o do colega.

Para operarbwinners 0forma eficiente, as economiasbwinners 0crescimento precisavambwinners 0um sistema melhor e compartilhadobwinners 0precisão do tempo, que permitisse que as fábricas pudessem empregar mãobwinners 0obra no mesmo horário, os trens pudessem sair e chegar nos horários previstos e os bancos pudessem registrar a data e a hora das transações financeiras.

Como observou certa vez o historiador americano Lewis Mumford, o relógio — e não a máquina a vapor — foi a máquina mais importante da Revolução Industrial. As máquinas a vapor podem ter abastecido as fábricas e o transporte, mas não conseguiam sincronizar as pessoas e suas atividades.

Por muito tempo, o principal árbitro desse novo tempo compartilhado foi o Observatório Realbwinners 0Greenwich,bwinners 0Londres. Os avançados relógios mecânicos do observatório mostravam a hora "real": o Tempo Médiobwinners 0Greenwich (GMT, na siglabwinners 0inglês).

Em 1833, os responsáveis pela marcação do tempo acrescentaram uma bola vermelha a um mastro do observatório. A bola cairia todos os dias às 13h, para que os comerciantes, as fábricas e os bancos pudessem acertar os seus relógios.

Alguns anos depois, o horário GMT foi distribuído por telegrama como o "horário dos trens"bwinners 0todo o país, garantindo que toda a rede ferroviária do Reino Unido estivesse sincronizada. Nos anos 1880, o sinal horáriobwinners 0Greenwich foi enviado por meio do Atlântico por um cabo submarino até Harvard,bwinners 0Cambridge, Massachusetts, nos Estados Unidos.

E, na Conferência Internacional do Meridianobwinners 01884, na capital americana, Washington DC, maisbwinners 025 países decidiram que o horário GMT se tornaria o padrão internacional da hora.

Pip, pip... piiiip

Em 1924, a BBC também começou a difundir a hora certabwinners 0suas transmissõesbwinners 0rádio, com uma sériebwinners 0"pips" a cada hora cheia. E, quando começaram as transmissões para o exterior, os sinais horários passaram a ser emitidos para todo o mundo,bwinners 0ondas curtas.

Na época, os sinais eram geradosbwinners 0Greenwich. Mas, desde 1990, a própria BBC é quem gera os sinais horários. Ao todo, são seis "pips". A hora cheia é marcada pelo início do último "pip", que é mais longo.

Diversos outros países também têm esses sinais — na Finlândia, por exemplo, são conhecidos como "piipit". Mas, infelizmente, o rádio digital tornou os sinais menos precisos, já que a conversão do sinal gera um pequeno atraso nabwinners 0transmissão.

As décadas se passaram e ficou clara a necessidadebwinners 0uma melhor formabwinners 0sincronização do tempo.

Os responsáveisbwinners 0Greenwich defendiam que seus relógios estavam entre os mais precisos do mundo, mas seus cálculos eram baseadosbwinners 0uma referência que não era confiável: o tempo que a Terra leva para dar uma voltabwinners 0tornobwinners 0si mesma.

Para fornecer o horário com precisão, todos os relógios precisambwinners 0um processo repetitivo periódico, seja a oscilaçãobwinners 0um pêndulo ou as oscilações eletrônicasbwinners 0um cristalbwinners 0quartzo.

Os relógios do Observatório Realbwinners 0Greenwich eram calibrados usando o tempo que o Sol leva para atingir a mesma posição no céu depoisbwinners 0um dia. O seu pêndulo, portanto, era a própria Terra, girandobwinners 0uma velocidade aparentemente previsível. O mesmo conceito foi aplicado para definir o Tempo Universal, que substituiu o horário GMTbwinners 01928.

Mas, no século 20, os cientistas perceberam que a rotação do nosso planeta acelera e desacelera ao longo dos anos. Isso se deve aos efeitos gravitacionais da Lua, do Sol e dos outros planetas, alémbwinners 0mudanças geológicas no interior do núcleo e do manto da Terra e até mesmo mudanças climáticas e oceânicas.

Em 1900, a Terra girava quase 4 milissegundos mais devagar,bwinners 0média, do que na virada do século 21. Por isso, os melhores relojoeiros do mundo podiam afirmar que ofereciam maior precisão que os relógios comuns ou que o relógio dos nossos avós, mas eles próprios estavam errados quanto à hora "verdadeira".

Horário atômico

Na mesma época, os especialistasbwinners 0física quântica sugeriram que os átomos poderiam oferecer uma forma muito melhorbwinners 0medir o tempo que a rotação da Terra.

A aplicaçãobwinners 0uma frequência específicabwinners 0radiação eletromagnética a um átomo faz com que seus níveisbwinners 0energia se alterem. Você pode então usar um contador eletrônico para acompanhar essas transições.

Como a oscilaçãobwinners 0um pêndulo, este processo periódico estável pode ser usado para calcular o tempo — e viria a servirbwinners 0base para o "relógio atômico".

Os relógios atômicos acompanham o tempo com muito mais precisão do que qualquer relógio baseado na rotação da Terra. Na verdade, eles são tão precisos que, se baseássemos completamente o nosso mundo neles, o horário acabaria se desalinhando da noite e do dia,bwinners 0forma que o Sol nasceria às 18h. É por isso que os responsáveis pela medição do tempo acrescentam segundos bissextos ao horário oficial com tanta frequência.

Os masersbwinners 0hidrogênio do NPLbwinners 0Londres são alguns dos relógios atômicos mais importantes do planeta. Existem algumas centenas deles espalhados pelo mundo, operados pelos institutos nacionaisbwinners 0metrologia, que são os novos árbitros do tempo para todos nós.

Mas ler a hora neles não é tão simples. Nenhum relógio atômico é perfeito, devido a fatores como os efeitos da gravidade local ou diferenças entre os seus circuitos eletrônicos. Por isso, os metrologistas precisam compensar essas imperfeições.

Funciona da seguinte forma: um laboratório como o NPL registra e refina as informaçõesbwinners 0tempo do seu bancobwinners 0relógios atômicos — os masersbwinners 0hidrogênio —, aplicando correções ocasionais se o relógio parecer estar atrasado ou adiantado. Os metrologistas chamam essa operaçãobwinners 0"dirigir" o relógio e usam um equipamento separado para definir a duraçãobwinners 0um segundo.

O NPL envia essa correção para o Escritório Internacionalbwinners 0Pesos e Medidas (BIPM, na siglabwinners 0francês),bwinners 0Paris, na França. Os cronometristas do BIPM calculam uma média ponderadabwinners 0todas essas medições, com os relógiosbwinners 0melhor desempenho exercendo mais peso.

Outros ajustes são feitos e, por fim, o processo resulta no chamado Tempo Atômico Internacional (TAI).

Uma vez por mês, o BIPM publica o TAIbwinners 0um documentobwinners 0extrema importância, chamado "Circular T" (sua versãobwinners 0inglês está disponível online). Este documento permite que os laboratórios nacionais acertem seus relógios e, sobretudo, divulguem a hora certa para as indústrias que necessitarem.

No Reino Unido, esta é uma das tarefas do NPL. Nos Estados Unidos, o organismo responsável é o Instituto Nacionalbwinners 0Padrões e Tecnologia (NIST, na siglabwinners 0inglês — o antigo National Bureau of Standards) e existem muitos outros órgãos similares espalhados pelo mundo.

No Brasil, o organismo responsável designado pelo Inmetro (Instituto Nacionalbwinners 0Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial) é a Divisãobwinners 0Serviço da Hora do Observatório Nacional. Ambos têm sede no Riobwinners 0Janeiro.

Basicamente, a Circular T é o equivalente moderno da bola vermelha do Observatório Realbwinners 0Greenwich.

É claro que a maioria das pessoas não precisa saber a hora com precisãobwinners 0nanossegundos, mas muitas indústrias e tecnologias têm essa necessidade.

"A navegação por satélite provavelmente é um dos setores que exigem alta precisão, mas existem outros", diz o metrologista Patrick Gill, do NPL. "A sincronização das comunicações, a distribuiçãobwinners 0energia e o mercado financeiro precisam da hora certa com alta precisão."

As novas tecnologias também trazem exigências adicionais. A redebwinners 0internet 5G, por exemplo, é construída com basebwinners 0sincronização precisa, assim como a tecnologiabwinners 0navegação que orienta os veículos autônomos.

Acontece que o TAI ainda é a construçãobwinners 0um tempo "verdadeiro" hipotético: uma medição com a qual o mundo simplesmente concorda. Nada mais é que uma média ponderadabwinners 0diversos relógios atômicos,bwinners 0que cada um deles fornece uma leitura levemente diferente.

Existe outra razão que nos leva a uma questão fundamental: o que, exatamente, é um segundo?

Ao longo dos anos, a definição da unidade padrãobwinners 0tempo mudou — e, com ela, nossa definiçãobwinners 0tempo. E mais: ela poderá mudar novamentebwinners 0breve.

A redefinição do segundo

O segundo costumava ser definido como 1/86.400 do dia médio solar, que é o tempo médio que o Sol leva para atingir o mesmo ponto no céu ao meio-dia — ou seja, aproximadamente 24 horas.

Em outras palavras, o segundo era baseado na rotação da Terra, que agora sabemos que é irregular. Por esta definição, o segundo teria sido mais longobwinners 01900 do quebwinners 01930, quando a rotação média do planeta era mais rápida.

Os metrologistas já enfrentaram um problema similar com o quilograma, que era baseadobwinners 0um blocobwinners 0metal guardadobwinners 0um cofrebwinners 0Paris. Inexplicavelmente, ele mudou ao longo do tempo e, com ele, toda a definiçãobwinners 0quilograma.

Em meados do século 20, os metrologistas decidiram que era necessária uma mudança e criaram uma nova definição do tempo.

Ficou decidido,bwinners 01967, que o segundo deveria ser baseadobwinners 0um valor numérico fixo da transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomobwinners 0césio sem perturbação.

"Parece complicado", reconhece Gill. Mas o que significa esta definição?

Basicamente, é apenas outro processobwinners 0repetição periódica — a basebwinners 0todas as medições do tempo. Se você irradiar micro-ondas sobre átomosbwinners 0césio, eles liberam mais radiação eletromagnética, com uma frequência específica que depende dos níveisbwinners 0energia no interior do átomo. Medindo essa frequência, como quem conta as oscilaçõesbwinners 0um pêndulo, é possível medir a passagem do tempo.

Os cientistas do NPL fazem esse cálculo com a chamada fontebwinners 0césio.

"Nós usamos a luz para lançar os átomos no ar a cercabwinners 0meio metro, e eles caem com a gravidade. Você pode então examinar essa fonte com micro-ondas sintonizáveis", explica Gill.

A configuração da fonte é necessária porque "você quer que eles não sejam perturbados, ao máximo possível. Se você segurar os átomosbwinners 0qualquer outra forma (com eletricidade, por exemplo), ou usando a luz para retê-los, isso irá alterarbwinners 0frequência."

Esta definição foi escolhida porque o césio é um isótopo confiável. Praticamente todos os átomosbwinners 0uma amostra vão reagir à radiação eletromagnética da mesma forma.

Além disso, no século 20, as frequênciasbwinners 0micro-ondas podiam ser medidasbwinners 0forma mais precisa e confiável que as frequências mais altas do espectro eletromagnético. Uma analogia seria comparar como você consegue contar as batidas do seu coração com um cronômetro, mas precisabwinners 0tecnologia mais avançada para medir a frequência das asasbwinners 0uma mosca.

Esta definição funcionou bem por décadas.

"Isso é muito bom porque significa que o padrão não está mudando a cada cinco minutos, o que é importantebwinners 0metrologia", afirma Gill.

E ela é utilizada pelo NPL e pelo BIPM para fundamentar os cálculosbwinners 0documentos como a Circular T.

Mas, à medida que a ciência avança — e as novas tecnologias exigem cada vez mais precisão do tempo —, os metrologistas começam a contemplar uma nova definição para o segundo. Ela não virá da noite para o dia (talvez aconteça nos anos 2030), mas vai marcar a maior mudança na medição do tempo desde os anos 1960.

"Mesmo com o segundo definidobwinners 0termos dessa transiçãobwinners 0micro-ondasbwinners 0césio, já se compreendia que seria possível fazer um relógio melhor partindo para uma frequência óptica", explica a física Anne Curtis, do NPL.

"As frequências ópticas oscilam muito, muito mais rapidamente, na casabwinners 0centenasbwinners 0teraHertz — centenasbwinners 0trilhõesbwinners 0oscilações por segundo."

Por que as frequências mais altas são melhores? "A formabwinners 0imaginar por que isso é importante é pensarbwinners 0uma régua com um número finitobwinners 0marcas", explica Curtis.

Em uma régua padrão, por exemplo, são marcados os milímetros, mas não os micrômetros.

"Se você aumentar o númerobwinners 0marcasbwinners 0quatro ordensbwinners 0magnitude, obviamente você pode medir com muito mais precisão."

Por isso,bwinners 0laboratórios como o NPL, os cientistas estão experimentando agora a nova tecnologia óptica, esperando que, na próxima década, o segundo tenha uma nova definição.

Até lá, muitos testes serão necessários.

"Você precisa criar uma definição que seja útil, prática e realizável por todos os diferentes laboratórios nacionaisbwinners 0metrologiabwinners 0todo o mundo", afirma Curtis.

"Por isso, não pode ser apenas algo sob medida que apenas um grupo seja capazbwinners 0fazer. E, se for muito bem feito, precisa ser algo que todos nós possamos chamarbwinners 0redefinição."

O tempo como construção

Tudo isso ilustra uma verdade extraordinária: não existe um relógio na Terra que possa ser perfeitamente estável ou que funcione exatamente na velocidade correta. Isso vale para os antigos relógiosbwinners 0Sol e ainda é válido para os relógios atuais, mesmo os atômicos.

O segundo, por exemplo, é definidobwinners 0acordo com a tecnologia que temos disponível e com o que um grupobwinners 0metrologistas encarregadobwinners 0tomar a decisão escolhe que seja. Os relógios atômicos, mesmo com toda abwinners 0precisão, ainda precisam ser "dirigidos".

E, quando os metrologistas tomam decisões como acrescentar segundos bissextos à hora certa, eles estão ajustando o tempo às necessidades humanas — para garantir que algumas coisas permaneçam inalteradas, como observar o nascer do Sol sempre pelas manhãs.

A hora do relógio é algo com que todos nós concordamos, e não a hora verdadeira.

Mas essa convenção é uma necessidade para viver e trabalhar nas sociedades modernas. Se voltássemos aos diasbwinners 0que o tempo era definido localmente, muitas das nossas tecnologias parariambwinners 0funcionar, os trens sofreriam acidentes e os mercados financeiros entrariambwinners 0colapso.

Gostemos ou não, o mundo é construído com base no tempo do relógio.

Mas pode ser inspirador examinar quais são as bases reais dessa construção. Quando você pensa sobre o tempo como um metrologista, ele se torna algo diferente.

De volta ao NPL, leio o aviso "não toque no maser" e pergunto a um dos cientistas presentes se ele próprio controla bem o seu tempo — se ele, pessoalmente, é pontual, por exemplo.

"Ah, só pensobwinners 0nanossegundos", ele responde.

bwinners 0 Leia a versão original desta reportagem (em inglês) bwinners 0 no site BBC Future bwinners 0 .

Esta tradução foi publicada originalmente em: http://www.mi-rob.com/vert-fut-62404690

bwinners 0 Sabia que a BBC está também no Telegram? Inscreva-se no canal

bwinners 0 Já assistiu aos nossos novos vídeos no YouTube bwinners 0 ? Inscreva-se no nosso canal!