Desde os tempos dos relógios de sol, que tracejavam o percursos dos raios solares, ou as ampulhetas, relógios contendo areia para contar a passagem do tempo com a queda de cada grão da parte superior à inferior, seres humanos buscam a forma mais precisa de medir o tempo. Hoje, apresentaremos uma novidade no mundo científico e tecnológico, o relógio nuclear!
Relógios nucleares prometem superar os mais avançados relógios atômicos em dez vezes, perdendo apenas um segundo a cada 300 bilhões de anos. Embora os relógios atômicos ópticos já percam apenas um segundo a cada 30 bilhões de anos, a melhoria proporcionada pelos relógios nucleares terá impactos profundos, desde detecção aprimorada de terremotos até sistemas de navegação por satélite mais precisos. Além disso, sua precisão incomparável poderá revelar novos detalhes sobre os fundamentos do universo.
Diferentemente dos relógios atômicos, que dependem de processos na camada eletrônica de um átomo, os relógios nucleares funcionam com base em fenômenos que ocorrem no núcleo do átomo. Segundo o físico Thorsten Schumm, da Universidade Tecnológica de Viena, essa diferença fundamental torna os relógios nucleares mais estáveis, pois os núcleos atômicos são muito menos afetados por fatores ambientais, como campos magnéticos ou elétricos. Além disso, os relógios nucleares não precisam de vácuos ou temperaturas extremas para funcionar, o que pode torná-los mais portáteis do que seus predecessores atômicos.
Como a Medição do Tempo Evoluiu
Todos os relógios operam sob um princípio simples: um oscilador realiza ciclos regulares, e um mecanismo conta esses ciclos para medir o tempo. A calibração garante a precisão, seja no movimento de um pêndulo em um relógio antigo ou nas vibrações de átomos em relógios atômicos.
O primeiro relógio atômico, desenvolvido em 1949, utilizava o césio-133 como padrão. Na década de 1950, essa tecnologia revolucionou a medição do tempo, oferecendo precisão e exatidão sem precedentes ao depender da radiação de micro-ondas necessária para elevar o elétron mais externo de um átomo a um estado de energia superior. Relógios atômicos de césio, que definem o segundo como 9.192.631.770 oscilações dessa radiação, ainda são amplamente utilizados.
Os relógios atômicos ópticos foram além, aproveitando frequências de luz mais altas. Por exemplo, relógios baseados em átomos de estrôncio alcançam uma precisão tão elevada que perdem apenas um segundo a cada 40 bilhões de anos, aproximadamente três vezes a idade do universo.
A Era Nuclear
Agora, os cientistas estão focados no núcleo do átomo, que oferece ainda mais precisão devido às forças e escalas de energia envolvidas. Diferentemente das transições eletrônicas, as nucleares geralmente requerem radiação gama, milhares a milhões de vezes mais energética. Embora isso prometa uma precisão sem precedentes, os lasers de alta energia necessários ainda são um desafio tecnológico.
Uma descoberta significativa ocorreu em 1976, quando os cientistas identificaram o isótopo Tório-229, que possui uma energia de excitação nuclear excepcionalmente baixa. Décadas de pesquisa refinaram a medição dessa energia, enquanto as tecnologias necessárias para gerar a radiação requerida se tornaram viáveis apenas recentemente, graças a avanços na engenharia quântica.
Avanços na Precisão
Em 2023, pesquisadores do CERN observaram a transição nuclear do Tório-229 de forma indireta, medindo a energia liberada quando seu estado excitado decaiu. Isso forneceu uma estimativa crucial de 8,338 elétron-volts. Posteriormente, equipes na Alemanha, Áustria e Estados Unidos refinaram ainda mais a medição. Usando lasers de banda larga para excitar núcleos de Tório incorporados em cristais, eles detectaram a luz emitida quando os núcleos retornaram ao estado fundamental.
Cientistas como Eric Hudson, da UCLA, destacam a importância desses avanços, especialmente a incorporação de átomos de Tório em cristais, que proporcionaram sinais claros para detecção. Jun Ye, físico da Universidade do Colorado Boulder, e seus colaboradores melhoraram ainda mais a precisão usando combs ópticos de frequência, lasers sofisticados capazes de explorar frequências potenciais com resoluções extremamente altas.
O Futuro
Apesar dos avanços, relógios nucleares portáteis ainda são um sonho distante. Ye prevê progressos significativos nos próximos cinco anos, com o desenvolvimento de lasers mais potentes e infraestrutura adequada, mas dispositivos nucleares no uso cotidiano, como smartphones, ainda estão longe de se tornar realidade. “É uma visão”, diz Ye, “mas levará tempo para se concretizar.”
Por enquanto, a jornada para criar o marcador de tempo definitivo continua, prometendo não apenas maior precisão, mas também uma compreensão mais profunda do próprio conceito de tempo.
