Joachim Ullrich é o Presidente do Laboratório de Normas Federais em Braunschweig. Os relógios que aqui marcam as horas são os mais precisos do mundo. Nesta entrevista, o físico explica como funcionam. Explica ainda o que os relaciona com o tempo universal coordenado e por que é uma boa ideia definir entre duas a dezasseis casas decimais.
trends in automation: o Professor Ullrich, do Laboratório de Normas Federais, é conhecido pelos relógios precisos e, por isso, é visto como uma autoridade relativamente ao 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 usando processos previsíveis e recorrentes, como o movimento de rotação da Terra ou um pêndulo. O vencedor do prémio Nobel e curador do Laboratório de Normas Federais Albert Einstein deixou-nos uma definição muito pragmática do tempo: "O tempo é aquilo que vês num relógio." No entanto, desde Einstein também sabemos que o tempo é relativo. Passa mais lentamente quando estamos em movimento ou num campo gravitacional. A percepção humana do tempo também é relativa. Mais uma citação atribuída a Einstein: "Quando se senta num fogareiro quente por dois minutos, parece que 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 tempo o tempo realmente dura na percepção humana. O relógio biológico e as diferenças culturais também são temas muito interessantes para a ciência atual na forma como 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 atómicos, mesmo se os átomos não vibrarem. No lugar deles, usamos 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 eletrões dos átomos de césio. E porque só funciona quando a radiação tem uma frequência de oscilação específica, podemos usá-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 eletrões estão excitados. Para isto, começamos por enviar os átomos de césio num feixe horizontal através de campos magnéticos e de micro-ondas, e contamos apenas os átomos com eletrões 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 atómicos, podemos definir com precisão duas a dezasseis casas decimais.
trends in automation: os relógios de pulso e os relógios existentes nas estações ferroviárias não precisam ser tão precisos. Então, por que é necessária a precisão?
Ullrich: A imprecisão tem um efeito cumulativo e fá-lo 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 este não é o caso. Se esta teoria fosse comprovada, teria consequências profundas, já que muitas leis e modelos baseiam-se nas constantes físicas fundamentais. Os pesquisadores de tempo viveram o abalar de supostos 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 a diminuir 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 atómicos?
Ullrich: Os relógios atómicos são usados pelos satélites de localização para o sistema GPS Americano ou para o GLONASS Russo, por exemplo, para os primeiros satélites do sistema Galileu Europeu. Estes sistemas determinam localizações através dos tempos de propagação do sinal entre o satélite e a Terra e, por isso, requerem especificações de tempo muito precisas. Os geodesistas também planeiam usar os relógios para medir o espaço no futuro próximo. Isto permitirá a medição de alta precisão da posição relativa de dois satélites, e a alteração destes pode ser usada para traçar completamente o campo gravitacional terrestre. Com medições semelhantes na Terra e com relógios ainda mais precisos, é possível detetar diferentes distribuições de massa e localizar recursos minerais no futuro. Atualmente, estes são os temas em que estamos a trabalhar 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 atómicos 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 mais pequenos. Os relógios atómicos podem ser facilmente adquiridos com várias finalidades. Os custos variam entre algumas centenas de euros e cerca de 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 atómico 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 atómicos 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, usando um transmissor de onda longa, existem mais três relógios atómicos 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 atómicos 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 atómicos 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 atómicos 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 esteja a ser estudada. Estes relógios óticos são provavelmente algumas centenas de vezes mais precisos do que os melhores relógios atómicos disponíveis atualmente. Eles funcionam de acordo com um princípio semelhante. No entanto, a radiação que usamos aqui para excitar os eletrões têm uma frequência de oscilação 100.000 vezes superior e está na faixa visível. Em vez de usar radiação por micro-ondas, os relógios óticos usam a luz dos lasers de alta precisão.
No Laboratório de Normas Federais já temos dois relógios óticos diferentes, ambos cerca de dez vezes mais precisos do que os nossos relógios atómicos. Contudo, nos próximos anos teremos de comparar e observar relógios óticos diferentes em todo o mundo para determinar se eles marcam a mesma hora e que tipo de imprecisão podem ter. Levará o tempo 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, o que é excelente. Também existe alguma competição. Todos queremos ter o melhor relógio, afinal. Neste sentido, temos tido muito sucesso. Os nossos relógios atómicos de fonte estão entre os mais precisos do mundo. Na área dos relógios óticos, estamos atualmente envolvidos numa corrida amigável com o nosso parceiro, o Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST) nos E.U.A.
trends in automation: Estão a trabalhar 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 várias 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 a começar de novo. Nestas fases, que são mais pela manhã ou durante os fins de semana, tento usar o meu telemóvel ou a Internet muito pouco.
O mais difícil é conciliar o tempo a trabalhar 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 foi Chefe da Divisão Científica para a Dinâmica Experimental das Multipartículas Quânticas. Ele não é apenas reconhecido internacionalmente como Presidente do Laboratório de Normas Federais, também é especialista em física quântica e em experiências com lasers sem eletrões realizadas no DESY em Hamburgo e no SLAC National Accelerator Laboratory em Stanford, nos E.U.A. Recebeu vários prémios pelo seu trabalho, incluindo o Gottfried Wilhelm Leibniz Award da German Research Foundation e o Philipp Morris Research Award.