A nova definição do segundo e os relógios ópticos: uma mudança prevista

Calculamos a duração de um segundo segundo uma convenção que, no próximo ano, celebrará o seu 60.º aniversário. Entretanto, muita coisa mudou e as tecnologias actuais permitiriam defini-lo com muito maior precisão. A mais alta autoridade mundial de metrologia considera, por isso, absurdo continuar a medir o tempo com um instrumento que os seus próprios sucessores ultrapassam por um factor de cem.

A definição do segundo e os relógios atómicos

Criado em 1972, o Tempo Universal Coordenado (UTC) é uma convenção mundial destinada a sincronizar os nossos relógios com a frequência do segundo atómico, como veremos adiante. Toda a infra-estrutura humana depende dele: redes de telecomunicações 4G/5G, sistema bancário, mercados financeiros, redes eléctricas inteligentes, satélites, navegação por GPS e cibersegurança. Esta imensa construção tecnológica assenta numa única base: a definição física e ultraprecisa do segundo atómico.

A definição em vigor remonta a 1967, quando a 13.ª CGPM (Conferência Geral de Pesos e Medidas) estabeleceu que um segundo corresponde à duração de 9 192 631 770 períodos da radiação associada à transição entre os dois estados de energia do átomo de césio 133. Ao excitar este átomo, os seus electrões passam de um nível de energia para outro e emitem um sinal de micro-ondas. Esse sinal oscila com uma regularidade absoluta: basta contar exactamente 9,19 mil milhões destes «tiques-taques» quânticos para «fabricar» um segundo. Na altura, a escolha fazia sentido, pois, na década de 1960, os relógios de césio eram os mais exactos, superando largamente os de quartzo e as medições astronómicas baseadas na rotação da Terra, um metrónomo demasiado irregular.

Desde os anos 2000, porém, os físicos desenvolveram relógios ópticos ainda mais precisos: perdem apenas um segundo em relação ao tempo atómico ao fim de 15 mil milhões de anos, contra um segundo em 150 milhões de anos nos relógios de césio. Neste contexto, a CGPM reunir-se-á de 13 a 15 de Outubro de 2026, no Palácio de Congressos de Versalhes, para submeter várias resoluções à votação dos Estados-membros. Uma delas é decisiva: a aprovação de um roteiro para adoptar, na 29.ª CGPM, em 2030, uma nova definição do segundo, que deixe de assentar nas micro-ondas do césio 133 e passe a basear-se nas frequências ópticas de relógios atómicos cem vezes mais precisos.

O metrónomo perfeito do Universo

Um relógio atómico nada tem em comum com o relógio pousado numa cómoda ou com o que se usa no pulso. Em geral, é uma máquina complexa e volumosa, composta por bastidores electrónicos, lasers e tubos de vácuo. Para medir o tempo, tira partido de uma propriedade imutável da matéria: as frequências a que os átomos absorvem e emitem luz quando mudam de estado de energia. Estas frequências são constantes da natureza e são iguais para todos os átomos da mesma espécie, em qualquer ponto do Universo. Ao contá-las, obtém-se uma cadência cuja regularidade nada pode alterar.

Estes relógios encontram-se apenas em alguns laboratórios nacionais de metrologia, como o NIST, em Boulder, no Colorado; o PTB, em Braunschweig, na Alemanha; o LNE-SYRTE, no Observatório de Paris; e o NPL, em Teddington, no Reino Unido. Existem também versões comerciais, utilizadas por empresas e organizações que necessitam de uma sincronização temporal ultraprecisa, entre elas centros de dados, instalações 4G/5G, bancos e praças financeiras como Wall Street.

Como referido, há quase 60 anos que estes relógios funcionam graças às oscilações do césio-133. Os relógios ópticos seguem o mesmo princípio, mas recorrem a átomos como o estrôncio 87 ou o itérbio 171 e operam no espectro da luz visível, onde as frequências de oscilação são cem mil vezes mais elevadas.

Isto equivale a dividir o segundo num número de «fatias» e «batimentos» incomparavelmente maior. A comparação é semelhante à de uma imagem vista num antigo televisor de tubo de raios catódicos e num ecrã 4K: a imagem é a mesma, mas o maior número de pixéis do segundo reproduz-la com uma nitidez de outra ordem.

É esta a razão da diferença, referida na introdução, entre os relógios ópticos e os de césio. Um relógio de césio «divide» cada segundo em 9,2 mil milhões de fatias; um relógio óptico de estrôncio 87 ou de itérbio 171, a funcionar no espectro visível, divide-o em várias centenas de milhares de milhões de fatias. Com cem mil vezes mais graduações disponíveis, cada uma representa um intervalo de tempo proporcionalmente mais curto, multiplicando a capacidade do relógio para detectar qualquer desvio, por mais pequeno que seja.

Os critérios para redefinir o segundo

Até agora, nenhum relógio óptico se impôs como sucessor dos relógios de césio. Quando a CGPM adoptou o césio em 1967, não existia nenhum concorrente sério. Hoje, estão a ser desenvolvidos 28 isótopos atómicos diferentes em laboratórios de todo o mundo, e duas abordagens disputam a preferência: basear a nova definição num único átomo, como aconteceu há 60 anos, ou numa combinação de várias transições ópticas, algo que nunca foi tentado para uma unidade do SI (Sistema Internacional de Unidades).

Em Janeiro de 2024, um grupo de trabalho do CCTF coordenado por Noël Dimarcq publicou na revista Metrologia um roteiro que estabeleceu as condições inegociáveis para esta mudança. Foram definidos oito critérios obrigatórios para que qualquer redefinição oficial do segundo possa ser aprovada. Sem os enumerar todos, três deles mostram bem a dimensão do desafio.

O primeiro determina que os relógios ópticos de diferentes continentes sejam comparados e apresentem resultados concordantes com uma precisão de 10⁻¹⁸. Por outras palavras, um laboratório em Boulder e outro em Paris terão de obter resultados indistinguíveis, com uma margem de erro de um segundo em 30 mil milhões de anos.

O segundo exige que esses relógios contribuam regularmente para o Tempo Atómico Internacional (TAI), o «pulso» mundial calculado a partir das medições de mais de 400 relógios espalhados pelo mundo. É ainda um obstáculo demasiado elevado: estes instrumentos de ponta continuam a ser protótipos excepcionais, que ainda não estão preparados para funcionar continuamente sem intervenção humana.

O terceiro decorre da relatividade geral de Einstein. Como o tempo não passa à mesma velocidade a diferentes altitudes, e perante uma precisão de 10⁻¹⁸, uma diferença de poucos centímetros entre dois relógios basta para distorcer a comparação. Os metrologistas têm, por isso, de determinar a altitude dos laboratórios - ou, mais exactamente, o seu potencial gravítico local - com uma precisão de um centímetro.

Sem esse mapeamento da Terra, comparar à distância dois relógios ópticos equivale a comparar coisas completamente diferentes. Até à data, nenhum destes critérios está integralmente cumprido, e os próprios autores do estudo de 2024 reconheciam que uma redefinição em 2026 já estava fora de alcance. Por enquanto, 2030 continua a ser a data preferencial, com adiamento para 2034 se os obstáculos técnicos persistirem.

Um efeito dominó na ciência do futuro

O que mudará isto no nosso dia-a-dia? Na realidade, absolutamente nada: não sentiremos qualquer diferença e um segundo continuará a passar como um segundo. Então, porquê tanto esforço? Porque os relógios ópticos, muito mais sensíveis, melhorarão a navegação por GPS, ajudarão a vigiar melhor o ambiente - o estado dos aquíferos, as zonas vulcânicas, a subida dos oceanos e a deformação da crosta terrestre antes de um sismo - e aperfeiçoarão os instrumentos astrofísicos para obter melhores imagens dos buracos negros. Poderão até permitir alcançar o derradeiro Santo Graal: a detecção da matéria negra.

Sempre que avançámos na medição do tempo, acabámos, mais cedo ou mais tarde, por abrir ainda mais as portas da física e, consequentemente, por impulsionar grandes descobertas noutras disciplinas. Não há, portanto, motivo para que os relógios ópticos sejam uma excepção a essa regra.