Físicos brasileiros trabalham na construção de primeiro relógio atômico nacional
Rede mundial de relógios estabelece Tempo Atômico Internacional, que marca hora exata de operações online e baliza aparelhos de GPS, drones e mísseis; replicação brasileira garantiria independência tecnológica de outros países
Felipe Larozza / Vice
Daniel Magalhães e o oscilador de frequência do relógio
Um avião aterrissa em Guarulhos. Nele, um homem carrega um item sem par na mala. Foram quase doze horas de voo e três meses de trabalho árduo. Paris é mais que um oceano distante. Sabe lá quais solavancos a carga teve de aguentar entre bagagens de turistas e empurra-empurra dos aeroportos. O esforço na construção do dispositivo teria ido pelos ares? Só o tempo dirá — o tempo que o próprio aparelho dirá. Mal dá pra notar, mas o tipo de estatura média, calvície pronunciada, bochechas coradas e ar boa praça leva consigo um artefato fundamental para fins militares, científicos e políticos. A peça que falta para a construção do relógio atômico brasileiro.
Daniel Magalhães, doutor em Física, é um dos principais responsáveis pela criação da versão nacional do relógio atômico que, de tão preciso, suplantou a milenar rotação da Terra como medição do tempo. Há menos tempo que isso, em 2006, Daniel terminou seu pós-doutorado no Observatório de Paris e voltou ao Brasil trazendo um gerador de microondas. O aparelho finalizou a estrutura básica do projeto que tinha começado em 2001 sob a orientação do professor Vanderlei Bagno no Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (Cepof) do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), em São Carlos.
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“A gente acomodou as coisas aqui do jeito que achou melhor. Carreguei os sacos de areia do piso aqui embaixo”, me disse o Daniel enquanto mostrava com orgulho a sala de pouco mais oito metros quadrados nos subterrâneos da universidade. Embora o Brasil não faça parte, há uma rede espalhada pelo mundo conectando relógios desse tipo. Ela marca a hora exata em que um email foi enviado, permite que o GPS exiba a localização correta, baliza o voo de drones e mísseis teleguiados e atesta a segurança de plataformas online. A importância dos relógios-atômicos vem antes mesmo do visor de horário — o relógio construído por Daniel e sua equipe sequer tem um desses. Ele existe por outros motivos.
“Ele é uma ferramenta de medição”, afirmou o professor. Isso significa dizer que, à frente do tempo per se, o aparelho mede frequência e energia. Assim como relógios antigos funcionam com pêndulos, o relógio atômico usa as repetições de ondas eletromagnéticas para definir um intervalo. Em vez de estarem sujeitas à ferrugem ou ação do próprio tempo, contudo, essas ondas apresentam uma variação quase nula e precisão quase perfeita. Enquanto um relógio de pêndulo atrasa um segundo de uma semana pra outra, o relógio atômico atrasa um segundo a cada cem milhões de anos.
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Os feixes de laser são invisíveis a olho humano
O processo começa com um conjunto de seis raios laser que, divididos em um labirinto de espelhos e lentes, encontram-se num único ponto dentro de uma câmara de aço inox repleta de césio 133 em estado gasoso. “Os átomos do césio absorvem energia da luz. Na intersecção dos feixes de luz cria-se uma espécie de garrafa. Ela envelopa os átomos e eles ficam acumulados no centro. É possível juntar cem bilhões de átomos entre um e dois segundos”, explicou Daniel. Uma ligeira mudança no comportamento dos raios laser faz com que essa bolinha de átomos com menos de dois milímetros de diâmetros seja atirada verticalmente.
“Eu jogo essa amostra pra cima. Por isso esse modelo se chama chafariz”, explicou Daniel. Em certo ponto no caminho de subida e descida (por ação da gravidade), essa partícula de césio 133 recebe um banho de ondas eletromagnéticas. Ao contrário do césio 137 de Goiânia, esse isótopo — uma variante do elemento químico — não oferece risco ao ser humano. E, assim como outros elementos radioativos, ele é energeticamente sensível. Ao receber um feixe de ondas, seus átomos se agitam: os elétrons mudam sua órbita em torno do núcleo e, na transição de camadas, também emitem energia em forma de ondas eletromagnéticas.
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“A frequência de interesse na transição atômica é 9.192.631.770 Hz”, explicou o Daniel. A emissão desse índice de ondas eletromagnéticas pelo césio 133 indica que a partícula inteira se agitou. Os cientistas também chamam isso de transição-relógio e nós, seres humanos fissurados com o tempo, chamamos de segundo. O intervalo de tempo é auferido em um oscilador de frequências que sabe contar as microondas. Caso alguma alteração minúscula seja feita no gerador, parte dos átomos continuará estável, então o intervalo exato do segundo deixa de existir. “O gerador é calibrado em relação aos átomos”, disse o professor.
A acessibilidade e a relativa facilidade no uso fizeram do césio a escolha perfeita para relógios atômicos na década de 60, segundo Diego, mas o pulo do gato que permitiu aos átomos servirem como medidores de tempo está na tradução dessas mais de nove milhões de microondas em um segundo. Essa definição aconteceu em 1958, quando da publicação do artigo que definia a frequência de transição atômica como sendo equivalente ao segundo das efemérides. Essa unidade básica equivale a uma fração de 31.556.925,9747, a soma de segundos em um ano de acordo com o movimento dos corpos celestes.
Felipe Larozza / Vice
"Vista aérea" do relógio
O ser humano sempre usou a relação entre Terra, Sol e Lua como referência para o tempo. Os egípcios inventaram o relógio de sol e observaram que o céu da noite oferecia estrelas como indicadores de movimento. Sumérios e babilônios também contribuíram para isso, especialmente na manutenção de sistemas de conta múltiplos de seis — derivados das articulações dos dedos, à exceção do dedão, segundo historiadores. Mais tarde, os gregos formalizaram essas ideias dividindo as horas em partes minutae primae, o minuto, e partes minutae secondae, o segundo.
Os séculos passaram, as civilizações se sobrepuseram e o tempo virou dinheiro, como diz aquele ditado ianque. Em vez de faraós ou cidades-estado, a relevância industrial britânica pesou na escolha do Meridiano de Greenwich como padrão universal do tempo (GMT) em fins do século XIX. Uma análise mais precisa, o Tempo Universal (UT), veio anos depois. Ela considerava longitude e estações de ano no cálculo astronômico, mas ainda era variável. Foi assim que o Tempo Atômico Internacional (TAI) tomou a frente. Os níveis energéticos não dependem do movimento da Terra, nem mesmo da dilatação do tempo da relatividade.
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O problema não estaria encerrado sem uma boa briga — cujos reflexos existem até hoje. O Tempo Universal pode variar, mas ele considera a natureza a que estamos acostumados desde que habitamos o mundo, ao contrário do Tempo Atômico Internacional, que, de tão preciso, não se importa com dia nem noite. A diferença inerente entre os dois criou o “leap second”, um segundo adicionado aos relógios atômicos do mundo inteiro para sincronizar ambas as medidas. Cientistas discutem a necessidade disso, mas é certo que 2015 terá um segundo a mais nos relógios mais precisos do mundo a partir do dia 30 de junho.
Esse vacilo na caminhada dos corpos celestes não permitiria a implementação de várias tecnologias que usamos diariamente. O GPS é uma das maiores provas de como relógios-atômicos são importantes. “Peguei um modelo simples, de cem reais, e coloquei o dedo em cima do cristal do relógio. O cristal esquenta e muda a frequência. Eu fui parar no Oceano Pacífico!”, contou Daniel. Como os pulsos entre o GPS e os satélites de localização são essenciais para calcular a distância exata na triangulação, qualquer mudança no tempo de um desses relógios cria um distúrbio de quilômetros no pontinho piscante do mapa.
Todo o sistema está sincronizado com relógios-chafarizes norte-americanos. “O Observatório Naval dos Estados Unidos (USNO) tem cinco ou seis desses, mas ninguém sabe onde estão. Eles mantêm a base do tempo do GPS e quanto melhor a resolução e estabilidade deles, melhor pro sistema”, explicou Daniel. “A necessidade científica-política de um país possuir um relógio atômico passa pela soberania nacional. O Paquistão, por exemplo, não pode comprar nada relacionado a navegação geo-referenciada.” O próprio Daniel teve de assinar documentos atestando que o relógio de São Carlos serviria apenas a fins de pesquisa.
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De acordo com o professor, o Brasil tem outros modelos que foram comprados por valores entre US$ 80 mil e US$ 100 mil. Eles estão em posse do Inmetro e do Observatório do Rio de Janeiro cumprindo uma função importante para o mundo. “A gente não contribui para a escala de tempo atômico internacional, mas o Observatório do Rio de Janeiro e Inmetro fazem parte”, lembrou Daniel. O Tempo Atômico Internacional (TAI) é o resultado da sincronia entre vários marcadores espalhados em países como China, Japão, França e Estados Unidos. O horário que sai desse resultado reflete em inúmeros serviços em rede.
Daniel e sua equipe pretendem criar uma versão do relógio-atômico nos próximos anos. “Se a gente replicar esse, a gente tem uma independência tecnológica de outros países.” Quem sabe, quando muito tempo passar, estejamos cercados por relógios de gás de césio e geradores de microondas aumentando nossa preocupação com a hora mais que certa, atrasos sem desculpas, partidas irrefutáveis e chegadas que não chegam. Ou talvez seja melhor evitar.
Matéria original publicada no site da Vice Brasil.
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