Como funcionam os relógios atômicos, sem os quais o mundo moderno afundaria no caos:francisco benitez poker

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 tecnologiasfrancisco benitez pokerque dependemos, desde a navegação via satélite até os telefones celulares, o tempo é "o insumo escondido".

Mas como conseguimos chegar a este sistema compartilhadofrancisco benitez pokercálculo do tempo, como ele mantémfrancisco benitez pokerprecisão 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,francisco benitez pokerum lugar era meio-dia, mas no final da rua eram 12h15.

Ainda nos anos 1800, os Estados Unidos operavam com centenasfrancisco benitez pokerpadrõesfrancisco benitez pokertempo diferentes, definidos pelas cidades e pelos gerentes das ferrovias locais. Isso ocorria,francisco benitez pokerparte, porque não havia uma forma viávelfrancisco benitez pokersincronizar todos os relógiosfrancisco benitez pokerum país, que diráfrancisco benitez pokertodo 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 relógiofrancisco benitez pokerSol, a torrefrancisco benitez pokerum 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,francisco benitez pokeralguns casos, podia ser mortal.

Em meados dos anos 1800, por exemplo, dois trens colidiramfrancisco benitez pokerfrente na região da Nova Inglaterra, nos Estados Unidos, matando 14 pessoas — tudo porque um dos condutores usava um "relógio emprestadofrancisco benitez pokermá qualidade", que não estava sincronizado com o do colega.

Para operarfrancisco benitez pokerforma eficiente, as economiasfrancisco benitez pokercrescimento precisavamfrancisco benitez pokerum sistema melhor e compartilhadofrancisco benitez pokerprecisão do tempo, que permitisse que as fábricas pudessem empregar mãofrancisco benitez pokerobra 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 Realfrancisco benitez pokerGreenwich,francisco benitez pokerLondres. Os avançados relógios mecânicos do observatório mostravam a hora "real": o Tempo Médiofrancisco benitez pokerGreenwich (GMT, na siglafrancisco benitez pokeringlês).

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"francisco benitez pokertodo o país, garantindo que toda a rede ferroviária do Reino Unido estivesse sincronizada. Nos anos 1880, o sinal horáriofrancisco benitez pokerGreenwich foi enviado por meio do Atlântico por um cabo submarino até Harvard,francisco benitez pokerCambridge, Massachusetts, nos Estados Unidos.

E, na Conferência Internacional do Meridianofrancisco benitez poker1884, na capital americana, Washington DC, maisfrancisco benitez poker25 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 certafrancisco benitez pokersuas transmissõesfrancisco benitez pokerrádio, com uma sériefrancisco benitez poker"pips" a cada hora cheia. E, quando começaram as transmissões para o exterior, os sinais horários passaram a ser emitidos para todo o mundo,francisco benitez pokerondas curtas.

Na época, os sinais eram geradosfrancisco benitez pokerGreenwich. 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 nafrancisco benitez pokertransmissão.

As décadas se passaram e ficou clara a necessidadefrancisco benitez pokeruma melhor formafrancisco benitez pokersincronização do tempo.

Os responsáveisfrancisco benitez pokerGreenwich defendiam que seus relógios estavam entre os mais precisos do mundo, mas seus cálculos eram baseadosfrancisco benitez pokeruma referência que não era confiável: o tempo que a Terra leva para dar uma voltafrancisco benitez pokertornofrancisco benitez pokersi mesma.

Para fornecer o horário com precisão, todos os relógios precisamfrancisco benitez pokerum processo repetitivo periódico, seja a oscilaçãofrancisco benitez pokerum pêndulo ou as oscilações eletrônicasfrancisco benitez pokerum cristalfrancisco benitez pokerquartzo.

Os relógios do Observatório Realfrancisco benitez pokerGreenwich eram calibrados usando o tempo que o Sol leva para atingir a mesma posição no céu depoisfrancisco benitez pokerum dia. O seu pêndulo, portanto, era a própria Terra, girandofrancisco benitez pokeruma velocidade aparentemente previsível. O mesmo conceito foi aplicado para definir o Tempo Universal, que substituiu o horário GMTfrancisco benitez poker1928.

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, alémfrancisco benitez pokermudanças 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,francisco benitez pokermédia, 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 especialistasfrancisco benitez pokerfísica quântica sugeriram que os átomos poderiam oferecer uma forma muito melhorfrancisco benitez pokermedir o tempo que a rotação da Terra.

A aplicaçãofrancisco benitez pokeruma frequência específicafrancisco benitez pokerradiação eletromagnética a um átomo faz com que seus níveisfrancisco benitez pokerenergia se alterem. Você pode então usar um contador eletrônico para acompanhar essas transições.

Como a oscilaçãofrancisco benitez pokerum pêndulo, este processo periódico estável pode ser usado para calcular o tempo — e viria a servirfrancisco benitez pokerbase 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,francisco benitez pokerforma 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 masersfrancisco benitez pokerhidrogênio do NPLfrancisco benitez pokerLondres são alguns dos relógios atômicos mais importantes do planeta. Existem algumas centenas deles espalhados pelo mundo, operados pelos institutos nacionaisfrancisco benitez pokermetrologia, 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 informaçõesfrancisco benitez pokertempo do seu bancofrancisco benitez pokerrelógios atômicos — os masersfrancisco benitez pokerhidrogênio —, aplicando correções ocasionais se o relógio parecer estar atrasado ou adiantado. Os metrologistas chamam essa operaçãofrancisco benitez poker"dirigir" o relógio e usam um equipamento separado para definir a duraçãofrancisco benitez pokerum segundo.

O NPL envia essa correção para o Escritório Internacionalfrancisco benitez pokerPesos e Medidas (BIPM, na siglafrancisco benitez pokerfrancês),francisco benitez pokerParis, na França. Os cronometristas do BIPM calculam uma média ponderadafrancisco benitez pokertodas essas medições, com os relógiosfrancisco benitez pokermelhor 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 TAIfrancisco benitez pokerum documentofrancisco benitez pokerextrema importância, chamado "Circular T" (sua versãofrancisco benitez pokeringlês 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 Nacionalfrancisco benitez pokerPadrões e Tecnologia (NIST, na siglafrancisco benitez pokeringlês — o antigo National Bureau of Standards) e existem muitos outros órgãos similares espalhados pelo mundo.

No Brasil, o organismo responsável designado pelo Inmetro (Instituto Nacionalfrancisco benitez pokerMetrologia, Normalização e Qualidade Industrial) é a Divisãofrancisco benitez pokerServiço da Hora do Observatório Nacional. Ambos têm sede no Riofrancisco benitez pokerJaneiro.

Basicamente, a Circular T é o equivalente moderno da bola vermelha do Observatório Realfrancisco benitez pokerGreenwich.

É claro que a maioria das pessoas não precisa saber a hora com precisãofrancisco benitez pokernanossegundos, 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 distribuiçãofrancisco benitez pokerenergia e o mercado financeiro precisam da hora certa com alta precisão."

As novas tecnologias também trazem exigências adicionais. A redefrancisco benitez pokerinternet 5G, por exemplo, é construída com basefrancisco benitez pokersincronização precisa, assim como a tecnologiafrancisco benitez pokernavegação que orienta os veículos autônomos.

Acontece que o TAI ainda é a construçãofrancisco benitez pokerum tempo "verdadeiro" hipotético: uma medição com a qual o mundo simplesmente concorda. Nada mais é que uma média ponderadafrancisco benitez pokerdiversos relógios atômicos,francisco benitez pokerque 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 padrãofrancisco benitez pokertempo mudou — e, com ela, nossa definiçãofrancisco benitez pokertempo. E mais: ela poderá mudar novamentefrancisco benitez pokerbreve.

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 longofrancisco benitez poker1900 do quefrancisco benitez poker1930, quando a rotação média do planeta era mais rápida.

Os metrologistas já enfrentaram um problema similar com o quilograma, que era baseadofrancisco benitez pokerum blocofrancisco benitez pokermetal guardadofrancisco benitez pokerum cofrefrancisco benitez pokerParis. Inexplicavelmente, ele mudou ao longo do tempo e, com ele, toda a definiçãofrancisco benitez pokerquilograma.

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

Ficou decidido,francisco benitez poker1967, que o segundo deveria ser baseadofrancisco benitez pokerum valor numérico fixo da transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomofrancisco benitez pokercésio sem perturbação.

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

Basicamente, é apenas outro processofrancisco benitez pokerrepetição periódica — a basefrancisco benitez pokertodas as medições do tempo. Se você irradiar micro-ondas sobre átomosfrancisco benitez pokercésio, eles liberam mais radiação eletromagnética, com uma frequência específica que depende dos níveisfrancisco benitez pokerenergia no interior do átomo. Medindo essa frequência, como quem conta as oscilaçõesfrancisco benitez pokerum pêndulo, é possível medir a passagem do tempo.

Os cientistas do NPL fazem esse cálculo com a chamada fontefrancisco benitez pokercésio.

"Nós usamos a luz para lançar os átomos no ar a cercafrancisco benitez pokermeio 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 átomosfrancisco benitez pokerqualquer outra forma (com eletricidade, por exemplo), ou usando a luz para retê-los, isso irá alterarfrancisco benitez pokerfrequência."

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

Além disso, no século 20, as frequênciasfrancisco benitez pokermicro-ondas podiam ser medidasfrancisco benitez pokerforma 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 precisafrancisco benitez pokertecnologia mais avançada para medir a frequência das asasfrancisco benitez pokeruma 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 importantefrancisco benitez pokermetrologia", afirma Gill.

E ela é utilizada pelo NPL e pelo BIPM para fundamentar os cálculosfrancisco benitez pokerdocumentos 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 definidofrancisco benitez pokertermos dessa transiçãofrancisco benitez pokermicro-ondasfrancisco benitez pokercésio, 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 casafrancisco benitez pokercentenasfrancisco benitez pokerteraHertz — centenasfrancisco benitez pokertrilhõesfrancisco benitez pokeroscilações por segundo."

Por que as frequências mais altas são melhores? "A formafrancisco benitez pokerimaginar por que isso é importante é pensarfrancisco benitez pokeruma régua com um número finitofrancisco benitez pokermarcas", explica Curtis.

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

"Se você aumentar o númerofrancisco benitez pokermarcasfrancisco benitez pokerquatro ordensfrancisco benitez pokermagnitude, obviamente você pode medir com muito mais precisão."

Por isso,francisco benitez pokerlaboratórios 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 nacionaisfrancisco benitez pokermetrologiafrancisco benitez pokertodo o mundo", afirma Curtis.

"Por isso, não pode ser apenas algo sob medida que apenas um grupo seja capazfrancisco benitez pokerfazer. E, se for muito bem feito, precisa ser algo que todos nós possamos chamarfrancisco benitez pokerredefinição."

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 relógiosfrancisco benitez pokerSol e ainda é válido para os relógios atuais, mesmo os atômicos.

O segundo, por exemplo, é definidofrancisco benitez pokeracordo com a tecnologia que temos disponível e com o que um grupofrancisco benitez pokermetrologistas encarregadofrancisco benitez pokertomar a decisão escolhe que seja. Os relógios atômicos, mesmo com toda afrancisco benitez pokerprecisão, 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 diasfrancisco benitez pokerque o tempo era definido localmente, muitas das nossas tecnologias parariamfrancisco benitez pokerfuncionar, os trens sofreriam acidentes e os mercados financeiros entrariamfrancisco benitez pokercolapso.

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 pensofrancisco benitez pokernanossegundos", ele responde.

francisco benitez poker Leia a versão original desta reportagem (em inglês) francisco benitez poker no site BBC Future francisco benitez poker .

Esta tradução foi publicada originalmente em: http://vesser.net/vert-fut-62404690

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