trends in automation: o Professor Ullrich, do Laboratório de Normas Federais, é conhecido pelos relógios precisos e, por isso, é visto como uma autoridade do tempo. Mas o que é o tempo exatamente?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: Esta é uma pergunta muito complexa. Nós, físicos, facilitamos as coisas e definimos o tempo, utilizando processos previsíveis e recorrentes, como o movimento de rotação da Terra ou um pêndulo. O vencedor do prêmio Nobel e curador do Laboratório de Normas Federais Albert Einstein nos deixou uma definição muito pragmática do tempo: "O tempo é aquilo que enxerga em um relógio." No entanto, desde Einstein, também sabemos que o tempo é relativo. Passa mais lentamente quando estamos em movimento ou em um campo gravitacional. A percepção humana do tempo também é relativa. Mais uma citação atribuída a Einstein: "Quando se senta em um fogareiro quente por dois minutos, parece que você está lá há duas horas. Agora, quando está com uma moça simpática há duas horas, parece que só lá está há dois minutos. É a relatividade!"
Há também muitas questões em aberto, como o tempo ter início ou fim e quanto dura realmente o tempo na percepção humana. O relógio biológico e as diferenças culturais também são temas muito interessantes para a ciência atual, na maneira em que lidamos com o tempo.
trends in automation: Como podemos medir o tempo?
Ullrich: Por exemplo, com um pêndulo. Quanto menor o pêndulo, mais rápido ele oscila e mais precisamente mede o tempo. Os relógios de quartzo são ainda mais precisos. Neles, a carga elétrica provoca a oscilação de um cristal. Ele vibra mais de 30.000 vezes por segundo. Os relógios mais precisos atualmente são os relógios atômicos, mesmo se os átomos não vibrarem. No lugar deles, utilizamos radiação eletromagnética ou, mais precisamente, micro-ondas. Eles vibram muito mais rápido do que um cristal de quartzo, cerca de nove mil milhões de vezes por segundo. Usamos radiação por micro-ondas para excitar os elétrons dos átomos de césio. E porque só funciona quando a radiação tem uma frequência de oscilação específica, podemos utilizá-la para definir e determinar, com precisão, o valor de um segundo.
Obviamente, devemos verificar, constantemente, que ajustamos o pulso correto do relógio e que os elétrons estão excitados. Para isso, enviamos os átomos de césio em um feixe horizontal através de campos magnéticos e de micro-ondas e contamos apenas os átomos com elétrons excitados, com um detetor cuidadosamente posicionado. Nos nossos dois relógios mais precisos, temos um layout diferente e lançamos os átomos de césio para cima, como a água numa fonte, através de um campo de micro-ondas. Eles atravessam o campo uma segunda vez durante a descida. Com estes relógios atômicos, podemos definir com precisão duas a dezesseis casas decimais.
trends in automation: os relógios de pulso e os existentes nas estações ferroviárias não precisam ser tão precisos. Então, por que é necessária a precisão?
Ullrich: A imprecisão tem um efeito cumulativo e o faz de forma relativamente rápida. Para garantir um elevado nível de precisão a longo prazo, precisamos de relógios muito precisos. A temporização exata é particularmente importante no mundo das ciências. Por exemplo, uma das nossas tarefas no Laboratório de Normas Federal é investigar se as constantes físicas fundamentais, como a constante de estrutura fina, que inclui a velocidade da luz e a constante de Planck, são realmente constantes. Há evidências que sugerem que não são. Se isso for comprovado, traria consequências profundas, uma vez que muitas leis e modelos são baseados nas constantes físicas fundamentais. Os pesquisadores de tempo viveram da oscilação de pressupostos seguros pelas medições precisas na década de 30, quando o segundo foi definido como uma fração da rotação da Terra. Naquela época, os relógios de quartzo instalados no Laboratório de Normas Federais eram os mais precisos. Os pesquisadores descobriram que a rotação da Terra está diminuindo e é altamente variável, contrariando a definição existente do tempo de que a velocidade é sempre a mesma.
trends in automation: Existem aplicações práticas para os relógios atômicos?
Ullrich: Os relógios atômicos são utilizados pelos satélites de localização para o sistema GPS Americano ou para o GLONASS Russo, por exemplo, para os primeiros satélites do sistema Galileu Europeu. Esses sistemas determinam localizações por meio dos tempos de propagação do sinal entre o satélite e a Terra e, por isso, requerem especificações de tempo muito precisas. Os geodesistas também planejam utilizar os relógios para medir o espaço no futuro próximo. Isso permitirá a medição, de alta precisão, da posição relativa de dois satélites e a alteração destes pode ser utilizada para traçar completamente o campo gravitacional terrestre. Com medições semelhantes na Terra e com relógios ainda mais precisos, é possível detectar diferentes distribuições de massa e localizar recursos minerais no futuro. Atualmente, estes são os temas em que estamos trabalhando em conjunto com outros pesquisadores do grupo de excelência QUEST da Universidade Leibniz em Hannover.
trends in automation: Os relógios nos satélites têm as mesmas estruturas complexas dos relógios atômicos do Laboratório de Normas Federal?
Ullrich: Eles funcionam de acordo com o mesmo princípio, mas são ligeiramente mais compactos e não necessitam ser tão precisos. A transmissão do sinal anterior resulta em desvios menores. Os relógios atômicos podem ser facilmente adquiridos para diversas finalidades. Os custos variam entre algumas centenas de euros e cem mil euros, para aplicações terrestres. Para aplicações por satélite, são significativamente mais caros e, graças à tecnologia sofisticada, podem funcionar durante muitos anos sem precisarem de manutenção.
trends in automation: Você diz que a tecnologia é sofisticada. Contudo, pode haver uma falha num relógio atômico como este do Laboratório de Normas Federais?
Ullrich: Existe a possibilidade, mas temos cópias de reserva. Somente no Laboratório de Normas Federal temos quatro relógios atômicos principais, que marcam a nossa contribuição para o tempo universal coordenado. Para dar o tempo aos relógios de rádio, por exemplo, que é transmitido para Mainflingen, próximo de Frankfurt, utilizando um transmissor de onda longa, existem mais três relógios atômicos no local, que são regularmente sincronizados com os relógios do Laboratório de Normas Federais.
trends in automation: Como pode garantir que os relógios de todo o mundo estão corretos?
Ullrich: Como mencionado, temos o que chamamos de tempo universal coordenado, que é válido para 24 fusos-horários e é determinado por cerca de 400 relógios atômicos no mundo. Os relógios são comparados e é criada uma média. Os relógios menos precisos pesam menos do que os mais precisos. Por fim, verifica-se se este valor corresponde aos melhores relógios do mundo, incluindo os nossos relógios atômicos do Laboratório de Normas Federais. Os valores determinados neste processo são revelados como o tempo universal coordenado pelo Gabinete Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), que se estabeleceu em Sèvres, perto de Paris, em 1875. Acontece uma vez por mês. Também é importante que todos os relógios atômicos tenham a altitude em consideração porque, de acordo com Einstein, o tempo é influenciado pelo campo gravitacional.
trends in automation: Durante quanto tempo será válida a definição atual do tempo?
Ullrich: Seguramente por mais alguns anos. Embora a próxima geração de relógios já está sendo estudada. Esses relógios ópticos são, provavelmente, algumas centenas de vezes mais precisos do que os melhores relógios atômicos disponíveis atualmente. Eles funcionam de acordo com um princípio semelhante. No entanto, a radiação que usamos aqui para excitar os elétrons têm uma frequência de oscilação 100.000 vezes superior e está na faixa visível. No lugar de radiação por micro-ondas, os relógios ópticos utilizam a luz dos lasers de alta precisão.
No Laboratório de Normas Federais já possuimos dois relógios ópticos diferentes, ambos cerca de dez vezes mais precisos do que os nossos relógios atômicos. Contudo, nos próximos anos precisaremos comparar e observar relógios ópticos diferentes em todo o mundo para determinar se eles marcam a mesma hora e que tipo de imprecisão podem ter. Levará um tempo até que a definição de um segundo seja adaptada às novas possibilidades técnicas.
trends in automation: Qual o papel da colaboração com os parceiros internacionais nos novos desenvolvimentos?
Ullrich: Desde a assinatura da Convenção do Metro em 1875, nós, metrologistas, colaboramos de forma próxima e construtiva. Isso é excelente. Também existe alguma competição. Todos queremos ter o melhor relógio, afinal. Neste sentido, temos tido muito sucesso. Os nossos relógios atômicos de fonte estão entre os mais precisos do mundo. Na área dos relógios ópticos, estamos atualmente envolvidos em uma corrida amigável com o nosso parceiro, o Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST) nos E.U.A.
trends in automation: Estão trabalhando muito nesta área. O seu trabalho influencia a sua relação pessoal com o tempo?
Ullrich: Penso que o tempo é um bem extremamente valioso. Portanto, tento usá-lo com muita sabedoria. Por exemplo, realizo diversas tarefas que precisam de máxima concentração em blocos, se possível. Nestes momentos não gosto de ser perturbado, porque o trabalho não fica igual se precisarmos estar sempre começando de novo. Nestas fases, que são mais pela manhã ou durante os fins de semana, tento usar o meu celular ou Internet muito pouco.
O mais difícil é conciliar o tempo de trabalho com o tempo dedicado à família. Provavelmente, porque amo o que faço e não o vejo como trabalho. Às vezes, esqueço o tempo.
Joachim Ullrich é Presidente do Laboratório de Normas Federais, o instituto nacional de metrologia da Alemanha sediado em Braunschweig desde 2012. Já foi Diretor do Instituto de Física Nuclear Max Planck em Heidelberg e Chefe da Divisão Científica para a Dinâmica Experimental das Multipartículas Quânticas. Ele não é apenas reconhecido internacionalmente como Presidente do Laboratório de Normas Federais, mas também é especialista em física quântica e em experiências com lasers sem elétrons, realizadas no DESY em Hamburgo e no SLAC National Accelerator Laboratory em Stanford, nos E.U.A. Recebeu diversos prêmios pelo seu trabalho, incluindo o Gottfried Wilhelm Leibniz Award da German Research Foundation e o Philipp Morris Research Award.