O tempo é vital para o funcionamento de nossas vidas cotidianas: dos relógios em nossos pulsos aos sistemas de GPS em nossos telefones. Sistemas de comunicação, redes de energia e transações financeiras dependem de cronometragem de precisão. Segundos são as unidades vitais de medida na cronometragem.

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

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

Cerca de 2.300 anos atrás, 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 era organizado em esferas concêntricas, com a Terra no centro.

Os relógios de água , que surgiram por volta de 2.000 a.C., estão entre os instrumentos mais antigos para medir o tempo. Eles fazem isso regulando o fluxo de água para dentro ou para fora de um recipiente. 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 em um dia, sessenta minutos em uma hora e 60 segundos em um minuto (24 x 60 x 60 = 86.400). O Sistema Internacional de Unidades então mudou as coisas, estabelecendo-se com esta definição :

"O segundo… é definido tomando a… frequência de transição do átomo de césio-133, sendo 9192631770 quando expressa na unidade Hz, que é igual a s?¹."

Se você estiver confuso, deixe-me elaborar. O cerne desta definição é algo chamado frequência de transição. Uma transição acontece quando elétrons em um átomo absorvem energia e se movem para um nível de energia mais alto, retornando a um estado relaxado após um tempo. É um pouco como beber uma xícara de café: de repente você tem mais energia, até que a cafeína passa. A frequência é o número esperado de vezes que uma transição ocorre por um período de tempo específico.

Em cada tique do segundo, uma transição específica de um elétron de césio-133 ocorre 9192631770 vezes. Isso se tornou o padrão de medição do 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 errada pode descarrilar a precisão total. Se houvesse cinquenta transições por segundo, o custo em termos de precisão de contar uma errada seria cem vezes mais severo do que se houvesse 5.000.

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

Para medir uma frequência desconhecida, os cientistas pegam um sinal de frequência conhecida — uma referência — e o combinam com a frequência que querem medir. A diferença entre eles será um novo sinal com uma frequência pequena que é 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 atingir tal precisão, os cientistas precisam de um sinal de referência confiável, que eles obtêm 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.

Em 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 que isso aconteça. Eles são, portanto, essenciais para atingir medições de alta precisão de um sinal de referência.

Como vimos, o segundo é definido por transições de elétrons em átomos de césio. Transições que ocorrem com uma frequência mais baixa são mais fáceis de medir. Mas aquelas que ocorrem em uma frequência mais alta ajudam a aumentar a precisão da medição.

As transições de césio ocorrem em torno da mesma frequência no espectro eletromagnético que as micro-ondas. Essas frequências de micro-ondas são mais baixas do que as da luz visível. Mas em setembro de 2021 , cientistas fizeram medições usando o elemento estrôncio, cuja frequência de transição é maior do que a do césio e cai dentro da faixa da luz visível. Isso abre a possibilidade de redefinir o segundo até 2030.

Em setembro de 2024, cientistas dos EUA fizeram avanços importantes para a construção de um relógio nuclear — um passo além de um relógio atômico. Em contraste com o relógio atômico, a transição medida por esse novo dispositivo acontece no núcleo, ou cerne, do átomo (daí o nome), o que lhe dá uma frequência ainda maior.

O tório-229, o átomo usado para este 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 à frente porque as transições nucleares geralmente 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 aproximadamente um milhão de vezes maior que a do átomo de césio. Isso significa que, embora tenha sido medida com uma precisão menor que o atual relógio de estrôncio de última geração, ela promete uma nova geração de relógios com definições muito mais precisas do segundo.

Medir o tempo até a décima nona casa decimal, como os relógios nucleares poderiam fazer, 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.

Similarmente, a relatividade geral é usada para estudar processos de alta velocidade que podem levar a sobreposições com a mecânica quântica. Um relógio nuclear nos dará a tecnologia necessária para provar essas teorias.

Em nível tecnológico, sistemas de posicionamento preciso, como o GPS, são baseados em cálculos complexos que exigem 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 pode ter acabado para o segundo de césio, mas um mundo totalmente novo aguarda além dele.