Sabemos que um segundo é o tique-taque do relógio, mas como podemos mensurá-lo? Quanto tempo dura?

Em 1967, pesquisadores de todo o mundo se reuniram para responder a uma pergunta científica de longa data: qual é a duração de um segundo? A princípio, pode parecer óbvio. Um segundo é o tique-taque de um relógio, o balanço de um pêndulo, o tempo que leva para contar até um. Mas qual é a precisão dessas medidas? Em que se baseia essa duração? E como podemos definir cientificamente essa unidade fundamental de tempo? Durante a maior parte da história humana, civilizações antigas mediram o tempo com calendários únicos que rastreavam a marcha constante do céu noturno.

Na verdade, o segundo, como o conhecemos, não foi introduzido até o final dos anos 1500, quando o calendário gregoriano começou a se espalhar pelo mundo ao lado do colonialismo britânico. O calendário gregoriano definia um dia como uma única rotação da Terra em torno de seu eixo. Cada dia podia ser dividido em 24 horas, cada hora em 60 minutos e cada minuto em 60 segundos. No entanto, quando foi definido pela primeira vez, o segundo era mais uma ideia matemática do que uma unidade útil de tempo.

Medir dias e horas era suficiente para a maioria das tarefas de comunidades pastorais. Depois que a sociedade ficou interligada por ferrovias de movimento rápido, as cidades precisaram concordar a respeito do registro exato do tempo. Na década de 1950, vários sistemas globais exigiam que cada segundo fosse perfeitamente considerado, com o máximo de precisão possível.

E o que poderia ser mais preciso do que a escala atômica? Já em 1955, pesquisadores começaram a desenvolver relógios atômicos, que dependiam das leis imutáveis da física para estabelecer uma nova base para o registro do tempo. Um átomo consiste em elétrons de carga negativa que orbitam um núcleo de carga positiva em uma frequência consistente.

As leis da mecânica quântica mantêm esses elétrons no lugar, mas, se expusermos um átomo a um campo eletromagnético, como luz ou ondas de rádio, poderemos perturbar um pouco a orientação dos elétrons. E, se ajustarmos precisamente um elétron na frequência certa, poderemos criar uma vibração que se assemelha a um pêndulo em movimento.

Ao contrário de pêndulos regulares, que perdem energia rapidamente, elétrons podem funcionar bem durante séculos. Para manter a consistência e facilitar a medição dos tique-taques, pesquisadores vaporizam os átomos, convertendo-os em um estado menos interativo e volátil. Mas esse processo não diminui o ritmo extraordinariamente rápido do átomo.

Alguns átomos podem oscilar mais de 9 bilhões de vezes por segundo, dando a relógios atômicos uma resolução incomparável para medir o tempo. E, como todo átomo de um determinado isótopo elementar é idêntico, dois pesquisadores usando o mesmo elemento e a mesma onda eletromagnética devem produzir relógios perfeitamente consistentes.

Mas, antes que o registro do tempo pudesse se tornar totalmente atômico, países tiveram que decidir qual átomo funcionaria melhor. Essa foi a discussão em 1967, na 13ª Conferência Geral do Comitê Internacional de Pesos e Medidas. Existem 118 elementos na tabela periódica, cada um com propriedades únicas próprias.

Para essa tarefa, os pesquisadores procuravam várias coisas. O elemento precisava ter oscilação de elétrons de longa duração e alta frequência para registro preciso e de longo prazo do tempo. Para rastrear facilmente essa oscilação, ele também precisava ter um spin quântico mensurável com segurança, ou seja, a orientação do eixo em torno do qual o elétron gira, bem como uma estrutura de nível de energia simples, o que significa que são poucos os elétrons ativos, e que o estado deles é simples de se identificar.

Finalmente, o elemento precisava ser fácil de se vaporizar. O átomo vencedor? O césio-133. O césio já era um elemento popular para a pesquisa do relógio atômico e, em 1968, alguns relógios de césio já estavam disponíveis comercialmente. Tudo o que faltava era determinar quantos tique-taques de um átomo de césio existiam em um segundo.

A conferência usou a medição astronômica mais precisa de um segundo disponível na época, começando com o número de dias em um ano e dividindo ao mais baixo grau. Comparados com a quantidade de tique-taques do átomo, os resultados definiram um segundo, de modo formal, como exatamente 9 bilhões, 192 milhões, 631 mil e 770 tique-taques de um átomo de césio-133.

Hoje, relógios atômicos são usados em todo o planeta e além dele. De transmissores de sinal de rádio a satélites para sistemas de posicionamento global, esses dispositivos foram sincronizados para nos ajudar a manter um tempo globalmente consistente com uma precisão inigualável.