Por que cientistas tentam desenvolver relógio nuclear ultrapreciso:processar casa de apostas

Em um estudo recente que foi capa da revista científica Nature, Ye e uma equipe internacionalprocessar casa de apostascientistas descrevem o primeiro protótipo deste tipoprocessar casa de apostasrelógio — e mostram que todos os componentesprocessar casa de apostasque necessita já são uma realidade.

Atualmente, os relógios atômicos são o padrão utilizado a nível mundial para medir o tempo.

Os relógios nucleares não só seriam ainda mais precisos do que os relógios atômicos, como também ajudariam os cientistas a explorar grandes mistérios do Universo, como a matéria escura.

Foram necessárias décadas para chegar a esse ponto no desenvolvimentoprocessar casa de apostasum relógio nuclear.

Mas por que o avanço descrito na revista Nature é tão importante? E qual é a diferença entre um relógio atômico e um relógio nuclear?

O que é um relógio atômico — e como ele influencia seu dia a dia?

Os relógios atômicos registram sinaisprocessar casa de apostaselétrons que mudam seu estadoprocessar casa de apostasenergia, o que é conhecido como "salto quântico".

"Qualquer relógio tem dois componentes: algo que faz tic-tac, como um pêndulo, e algo que conta essas oscilações", explica à BBC News Mundo, serviçoprocessar casa de apostasnotíciasprocessar casa de apostasespanhol da BBC, a cientista colombiana Ana María Rey, física atômica teórica do NIST e professora da Universidade do Coloradoprocessar casa de apostasBoulder, especialistaprocessar casa de apostasrelógios atômicos.

"Em um relógioprocessar casa de apostaspêndulo normal, você vê que o relógio tem o pêndulo e um mecanismo que move o pêndulo, e informa quantas vezes ele oscilou."

No caso do relógio atômico, acrescenta Rey, o que oscila (o equivalente ao pêndulo) é uma onda eletromagnéticaprocessar casa de apostasluz que, normalmente, nos relógios atômicos ópticos é um laser, e o que conta as oscilações são os elétrons dos átomos.

"As oscilaçõesprocessar casa de apostasum relógio atômico podem ser tão rápidas que nem sequer os dispositivos eletrônicos normais conseguem medi-las."

"Mas os elétrons, por outro lado, por absorverem energia apenasprocessar casa de apostasdeterminadas frequências, são o que nos permite determinar quando a frequência do laser é exatamente a frequência do elétron, porque quando isso acontece, o elétron faz uma transição do nívelprocessar casa de apostasbase para o nívelprocessar casa de apostasexcitação."

"E como o laser tem um determinado númeroprocessar casa de apostasoscilaçõesprocessar casa de apostasum determinado períodoprocessar casa de apostastempo, isso nos permite determinar uma maneira universal, uma medidaprocessar casa de apostastempo."

É graças aos relógios atômicos que o tempo agora é sincronizadoprocessar casa de apostastodo o mundo com precisãoprocessar casa de apostasaté pelo menos o décimo sexto dígitoprocessar casa de apostascomputadores, telefones celulares e muitas outras tecnologias, como na áreaprocessar casa de apostaspesquisa espacial.

"Em geral, todas as medidas que temos dependem da medida do tempo. Por exemplo, a medida da distância se baseia no fato que sabemos a velocidade da luz."

Os relógios atômicos estão "em tudo", diz Rey.

"Nos satélites que controlam o GPS, por exemplo. Quando olhamos para o nosso GPS, e pedimos instruções sobre como irprocessar casa de apostasum lugar para outro, dependemos dos relógios atômicos que estão nesses satélites."

Como funciona um relógio nuclear

No caso do relógio nuclear, não são usados os sinais dos elétrons — mas, sim, do núcleoprocessar casa de apostasum átomo.

"Como já dissemos, o relógio atômico excita os elétrons do átomo. No entanto, o átomo não tem apenas elétrons, ele também tem o núcleo, que é compostoprocessar casa de apostasprótons e nêutrons, e esses estados do núcleo também podem se excitar", explica Rey.

"O problema é que essas excitações exigem uma energia muito alta, mas foi descoberta uma determinada classeprocessar casa de apostasátomos, o tório,processar casa de apostasque a energia para excitação é muito menor do que as energias padrão encontradas no núcleo.

O núcleo só absorve energiaprocessar casa de apostasum laserprocessar casa de apostasuma faixaprocessar casa de apostasfrequência muito pequena. E encontrar a frequência exata desse laser ultrapreciso para gerar a transição no núcleo é um esforçoprocessar casa de apostasdécadas.

Rey ressalta que, embora essa transição tenha sido prevista na décadaprocessar casa de apostas1970, ela não foi encontrada porque era como "encontrar uma agulhaprocessar casa de apostasum palheiro".

O que os cientistas do estudo publicado na revista Nature conseguiram agora foi usar um laser ultravioleta especialmente desenvolvido para medir com precisão a frequênciaprocessar casa de apostasum saltoprocessar casa de apostasenergiaprocessar casa de apostasnúcleosprocessar casa de apostastório incorporadosprocessar casa de apostasum cristal sólido.

"O relógio nuclear usa um salto quântico dentro do núcleo atômico, que é, inclusive, um fator 1.000 vezes menor do que o próprio átomo. Nosso trabalho mostrou pela primeira vez que isso é possível. Neste caso, é um nêutron que salta para um estadoprocessar casa de apostasenergia diferente", explica o cientista alemão Thorsten Schumm, pesquisador da Universidadeprocessar casa de apostasTecnologiaprocessar casa de apostasViena, um dos autores do estudo, à BBC News Mundo.

Schumm acredita que o relógio nuclear vai ser uma realidade num futuro próximo.

"Acho que a partirprocessar casa de apostasagora as coisas vão avançar muito rápido. Em um ano, já vimos um progresso incrível, e posso prometer que mais coisas maravilhosas estão por vir."

"O que é mais necessário é um desenvolvimento na parte do laser... Eu diria que não vai levar maisprocessar casa de apostascinco anos."

"Com este primeiro protótipo, demonstramos que o tório pode ser usado como cronômetro para mediçõesprocessar casa de apostasaltíssima precisão. Só resta o trabalhoprocessar casa de apostasdesenvolvimento técnico, sem grandes obstáculos a serem superados."

Uma nova janela para o Universo

Embora o relógio nuclear seja ainda mais preciso do que o relógio atômico, Schumm explica que "a vantagem do relógio nuclear não é tanto seu melhor desempenho, masprocessar casa de apostasmaior estabilidade".

"Como o núcleo é tão pequeno, e as forças nucleares envolvidas são enormes, as perturbações externas, como a temperatura ou os campos magnéticos, não o afetam realmente. Por isso, é um relógio muito mais robusto."

"Você pode até mesmo incorporar um número muito grandeprocessar casa de apostasnúcleosprocessar casa de apostasalgum material portátil simples, como um cristal, sem prejudicar o desempenho."

Alémprocessar casa de apostassuas aplicações tecnológicas, algo que deixa os cientistas especialmente entusiasmados é que os relógios nucleares vão abrir uma nova janela para o estudo do Universo.

"O relógio nuclear é insensível a forças externas, mas é muito sensível a forças internas que atuam dentro do núcleo. São forças eletromagnéticas, mas também forças nucleares, que mantêm o núcleo unido. Estas últimas, especialmente, são muito difíceisprocessar casa de apostaspesquisar — por isso, o relógio nuclear também vai funcionar como um sensorprocessar casa de apostasalgumas das forças fundamentais da natureza", diz Schumm.

Mas que questões vão poder ser exploradas com um relógio nuclear?

"Há muitos aspectos do Universo que ainda não entendemos", diz Rey.

"Por exemplo, sabemos que maisprocessar casa de apostas80% dos componentes do Universo não são matéria normal — mas, sim, matéria escura, que não entendemos. E é possível que, ao operar um relógio nuclear que seja bastante sensível a muitos efeitos aos quais os relógios atômicos normais não são sensíveis, possamos ter uma chave para entender qual é a origem dessa matéria escura."

Os relógios nucleares também vão poder ser comparados com os relógios atômicos — e isso vai permitir estudar se as constantes da natureza que são consideradas universais, como a velocidade da luz, são realmente invariáveis no tempo e no espaço.

"Uma sérieprocessar casa de apostasquestões que não sabemos por enquanto", acrescenta Rey.

"Por isso, é uma janela para pesquisas futuras que vão nos permitir descobrir mais sobre o Universo. Sempre que isso acontece, temos desenvolvimentos tecnológicos melhores."

'Senti a beleza da física'

Schumm descreveu à BBC News Mundo como foi a sensação ao chegar à frequência precisa para alterar o estadoprocessar casa de apostasum núcleoprocessar casa de apostastório.

"É simplesmente incrível! A maior parte do nosso tempo é gasta construindo coisas e consertando componentes que estão defeituosos, então, há pouco (ou nenhum) progresso, e pensamos muitoprocessar casa de apostascomo seria fantástico se finalmente funcionasse. E realmente funcionou! Poucos pesquisadores têm o privilégio e a sorteprocessar casa de apostasvivenciar esse momento , e agradeço à minha equipe e colaboradores por terem persistido por tanto tempo."

"Agora podemos pegar muitas das ferramentas poderosas que foram desenvolvidas na física atômica e na óptica quântica e transferi-las para a física nuclear — eu diria que há perguntasprocessar casa de apostasaberto suficientes para toda uma geraçãoprocessar casa de apostascientistas!", acrescentou o cientista da Universidadeprocessar casa de apostasTecnologiaprocessar casa de apostasViena.

Além disso, tanto o relógio atômico quanto o nuclear mostram como as pesquisasprocessar casa de apostasfísica teórica podem acabar impactando a vida cotidianaprocessar casa de apostasbilhõesprocessar casa de apostaspessoas.

"Em geral, a física teórica cria os modelos que permitem os experimentos para tentar entender como nosso Universo se comporta", diz Ana María Rey.

"Todos os computadores, por exemplo, são baseadosprocessar casa de apostastransistores. E os transistores existem porque entendemos a mecânica quântica. Entendemos, por exemplo, como os elétrons se movemprocessar casa de apostasum metal, tudo isso requer um entendimento da mecânica quântica."

"A física teórica é aquela que oferece uma maneiraprocessar casa de apostasinterpretar por que esse comportamento acontece, e faz previsõesprocessar casa de apostasnovas maneiras como a natureza pode se comportar. E é essa interação entre as previsões feitas pela física teórica e os experimentos que leva a descobertas que promovem o avanço da tecnologia no dia a dia, nas áreasprocessar casa de apostaseletrônica, comunicações e transporte. Tudo isso se deve indiretamente à nossa compreensão da mecânica quântica."

"E os relógios nucleares podem oferecer outra maneiraprocessar casa de apostasentender a mecânica quântica que não temos no momento."

Em entrevista à Optica, sociedade americana que promove o avanço deste campo científico, Ana María Rey lembrou que descobriuprocessar casa de apostasvocação após um momento eureca durante aprocessar casa de apostasprimeira aulaprocessar casa de apostasfísica.

"Todos os números e conceitos na minha mente ganharam vida. Senti a beleza da física; ela rege nosso Universo, desde os movimentos dos elétrons dentroprocessar casa de apostasum átomo até o comportamento dos buracos negros."

"Era um quebra-cabeça que poderia nos contar tudo sobre o mundo, e fiquei fascinada por poder resolvê-lo."

Será que Rey ainda sente a beleza daprocessar casa de apostasáreaprocessar casa de apostasestudoprocessar casa de apostasseu trabalho atual com os relógios?

"Claro, todos os dias", diz ela à BBC News Mundo.

"Chego ao trabalho com a empolgaçãoprocessar casa de apostaspoder tentar descobrir aspectos da física que possam nos dizerprocessar casa de apostasuma equação como o Universo se comporta. Para mim, é algo fascinante. Como podemos descrever matematicamente o que acontecerá se aplicarmos essa coisa? Se iluminarmos um átomo com uma determinada frequênciaprocessar casa de apostasluz, como ele vai se comportar, o que vai acontecer?"

“Ser capazprocessar casa de apostasprever com um modelo matemático o que vai acontecer, é como mágica, e foi isso que me pareceu fantástico. Se eu puder com a minha teoria dizer ao experimentador, aplique isso, meça aquilo e você vai encontrar isso, é a melhor coisa que pode acontecer."