Uma breve história da medida do tempo| Noel Dimarcq | TEDxParisSalon

Esta palestra foi feita num evento local TEDx, produzido independentemente das Conferências TED.

Noël Dimarcq é o diretor de investigação do CNRS [Centre national de la recherche scientifique]. É doutorado em física. A sua área de investigação debruça-se sobre a utilização do carácter ondulatório da matéria para realizar medidas de precisão muito rigorosa, em especial as do tempo. Noël Dimarcq obteve em 2008 a medalha de prata do CNRS pelos seus trabalhos sobre os relógios atómicos e os sensores inerciais. Dirige atualmente o laboratório SYRTE — Sistemas de referência Tempo-Espaço, situado no Observatório de Paris. Este laboratório desenvolve, entre outras coisas, relógios atómicos ultra precisos para realizar testes de física fundamental e construir o tempo legal francês.

Bom dia a todos!
Vou falar-vos da medida do tempo.

Para falar da medida do tempo,

é preciso começar
por uma pergunta evidente:

Que horas são?

É uma pergunta que parece anódina

mas, se fizéssemos hoje a experiência

em que cada um olhasse para o seu relógio,

cada um teria uma hora
diferente do seu vizinho.

Em particular, teriam uma hora diferente

da hora deste relógio um pouco especial.

É um relógio que nos dá as horas atómicas.

Eu hoje não pude trazer
um relógio atómico comigo.

O tempo atómico é construído
no observatório de Paris.

É difundido por ondas de rádio.

E ali recebemos essa informação.

Penso que, se compararem a hora
— ali é a data, 27 de novembro —

com a hora que vemos aqui,
vão encontrar uma diferença.

A minha palestra não vai ser apenas

para vos explicar como acertar os relógios.

Também vai ser para vos explicar
como medir o tempo muito rigorosamente.

Vão ver que as ordens de grandeza
de precisão são bastante impressionantes.

Também vou dar algumas aplicações
originais e fascinantes.

Vou começar por uma coisa muito simples:

para medir o tempo
vamos utilizar uma régua.

Arranjei uma analogia
com uma régua temporal,

uma régua espacial.

Quando queremos medir uma distância,

agarramos numa régua
que é graduada,

contamos o número de graduações,

neste caso, por exemplo, em centímetros.

Se contamos cinco graduações,

supondo que uma graduação
vale um centímetro,

deduzimos que a distância
equivale a cinco centímetros.

Com o tempo, é a mesma coisa.

Vamos utilizar uma régua temporal.

Podemos materializar uma régua temporal
com um oscilador.

Um oscilador é um dispositivo físico

que nos dá um sinal periódico no tempo,

em que um parâmetro é reproduzido
de modo periódico no tempo.

Trouxe um comigo, o pêndulo de Tournesol.

Isto é um oscilador.

Veem que podemos contar o tempo,

contando o número de idas e vindas.

Se dissermos que uma ida e vinda
se faz num segundo,

podemos contar 1, 2, etc.
o tempo que passa.

Utilizando esta régua temporária,

cuja graduação elementar
— aquilo a que chamamos período —

podemos medir o tempo.

É fácil de imaginar que, se quisermos
ter uma precisão melhor,

temos que ter mais graduações.

É equivalente ao que temos numa régua.

Se a nossa régua, em vez de estar
graduada em centímetros,

estiver graduada em milímetros,

e medirmos 51 pequenas
graduações milimétricas,

deduzimos que o comprimento
tem 5,1 centímetros.

É exatamente o mesmo
para a medida do tempo.

Se tivermos um oscilador
que vai mais depressa

do que o que acabei de mostrar,

e que, portanto,
tem um período mais curto,

ou seja, uma frequência,

um número de batidas por segundo,
mais elevado,

vamos ter uma resolução muito melhor
para a medida do tempo.

É isso que orientou as investigações

desde a invenção da medida do tempo
com os osciladores.

Normalmente, se damos ordens de grandeza,

arranjamos um relógio mecânico

que não é obrigatoriamente Franc-Contois

mas que seja mecânico,
como o meu pequeno pêndulo oscilante,

tem uma batida por segundo,

portanto, não temos uma precisão enorme
quando queremos medir um segundo.

Mas se tivermos um oscilador
que transportamos connosco

no nosso relógio ou no nosso telemóvel,

que tem um oscilador de quartzo
que utiliza a piezoeletricidade

que tem uma forma de um pequeno
diapasão que vibra

e que é de dimensão milimétrica,

vai ter 32 768 batidas por segundo.

Vamos dividir um segundo

em 32 768 períodos elementares.

Porquê um número tão bizarro?

É um número que é fácil
de dividir por dois, 15 vezes,

para chegar a uma batida por segundo,

para ter o tique-taque do nosso relógio.

Se formos ao extremo,

aos osciladores que são os mais rápidos

que hoje se conhecem,

a que chamamos os osciladores
do domínio ótico, os lasers,

vemos que um laser é um oscilador

que nos vai dar uma onda eletromagnética

que bate extremamente depressa ,

que vai dividir o segundo em 500 000
milhões de milhões de batidas.

Vemos que a graduação elementar
é extremamente pequena.

Contamos 500 milhões de milhões
e dizemos que se passou um segundo,

voltamos a contar 500
milhões de milhões, etc.

Estão a ver, na medida do tempo,

ter a frequência mais elevada possível,

é o que nos vai dar a maior precisão.

A esse nível, julgamos que o problema
está mais ou menos resolvido.

De modo nenhum! Na verdade,
que confiança temos na medida?

Volto ao exemplo das duas réguas,

Compramos duas réguas,

em dois países diferentes,
e fazemos uma medição.

Façam a experiência,
talvez não funcione

assim de modo tão exagerado,

mas verão que funciona muito bem.

Vão ver que,para um mesmo comprimento,

não encontram o mesmo número de graduação.

Então, em que confiar?

Em que regra ter confiança,
qual é a boa medida?

Para os osciladores,
para a medida do tempo,

vamos ter o mesmo problema.

O nosso oscilador,
dois osciladores diferentes,

não vão dar exatamente

o mesmo número de período
para medir uma determinada duração,

cada pequena graduação vai ser diferente.

Se tivermos um oscilador

conforme o local ou o instante
em que o utilizarmos,

não nos vai dar a mesma medida.

Por exemplo, o pêndulo
que vos mostrei, que oscila,

se o utilizarmos
no equador ou nos polos,

— porque o período de oscilação
depende da força da gravidade —

ao fim de um ano, teremos cerca
de dois dias de diferença

entre as duas medidas.

É imenso, não na vida de todos os dias,

embora dois dias seja importante!

Mas, para as aplicações
que vos vou mostrar,

é uma coisa muito aborrecido.

Como resolver o problema?

É aí que construímos relógios atómicos,

o átomo é a solução para este problema

visto que é o átomo
que vai servir de referência.

O que é que se passa num relógio atómico?

É relativamente simples.

Continuamos com um oscilador,

mas vamos comparar a sua frequência

com uma frequência
que é infinitamente estável,

universal e extremamente bem conhecida

que é a frequência de ressonância

para passar de um nível atómico para outro.

Porque é que esta frequência
atómica é muito bem conhecida?

É porque a mecânica quântica

informa-nos que os estados de energia,

ou seja, os níveis de energia,

entre os quais os átomos,
vão poder transitar,

esses estados de energia
têm valores extremamente fixos

e bem determinados.

Portanto, a frequência de ressonância
para passar de um nível a outro,

também ela será extremamente bem fixa.

Temos uma ilustração do relógio atómico

que está no observatório de Paris.

Hoje, utilizando átomos
que são um pouco especiais,

porque são átomos frios

que são arrefecidos por laser,

a temperaturas extremamente baixas,

que são mantidos retidos com luz laser,

utilizando osciladores óticos

que batem extremamente depressa.,

consegue-se ter uma precisão,
na medida do tempo,

que é muito impressionante,
visto que um relógio,

entre os melhores relógios do mundo,
atualmente,

não vai afastar-se um segundo senão
ao fim de três mil milhões de anos.

Por outras palavras, somos capazes de dar

o valor da pequena graduação,
ou da frequência do relógio

com 17 números depois da vírgula.

Vemos que é uma aplicação

que é muito impressionante,

um nível de estabilidade
que é muito impressionante,

e tem imensas aplicações.

A primeira aplicação é o relógio falante.

É uma aplicação que fala ao público.

Donde vem o relógio falante?

Foi criado no observatório
de Paris em 1933.

Nessa época, eram os astrónomos
que davam as horas,

não era a física atómica.

A linha do observatório de Paris
ocupou-se sempre disso,

porque toda a gente
ligava para Ernest Esclangon

que era o diretor do observatório,
para saber as horas.

Ernest Esclangon teve a ideia
de desenvolver esse relógio falante.

Houve várias gerações de relógios falantes.

Atualmente, o relógio falante
aqui apresentado dá-nos as horas

com 50 milissegundos de incerteza.

Como a metrologia
é uma ciência experimental,

vamos ligar para o relógio falante.

Eu tenho o direito
de o deixar ligado, é um privilégio!

Há sempre o risco, nas experiências,

que as coisas não funcionem.

Relógio falante:
São 17 horas, 7 minutos e 10 segundos.

(Bip)

Vamos esperar um pouco

mas reparem naquelas coisas vermelhas.

Relógio falante:
São 17 horas, 7 minutos e 20 segundos.

(Bip)

Pronto, funciona! Obrigado!

(Aplausos)

É uma aplicação que parece anódina,
mas que é importante

no momento da mudança da hora de verão,
da hora de inverno.

Se queremos transmitir o tempo
de forma mais precisa,

também podemos utilizer a Internet,

os satélites de telecomunicações
ou o GPS, etc.

Esta é a primeira aplicação.

A segunda aplicação,
que está muito na moda

e que é muito importante,

é utilizar os relógios atómicos

para testar a lei da relatividade
de Einstein

que nos diz, já há 100 anos,
que o tempo não é absoluto.

Ou seja, se arranjarmos relógios idênticos

e os pusermos em referenciais diferentes,

que se movem um em relação ao outro

ou que têm parâmetros
ambientais diferentes,

vamos encontrar, medir diferenças

entre o tempo e as frequências do relógio.

Este lado não absoluto do tempo
já é testado no terreno,

mas vai ser testado de forma
extremamente precisa

no espaço, instalando
um relógio ultra preciso,

a bordo da estação espacial internacional,

dentro de uns anos,

comparando o tempo e a frequência

deste relógio que estará no espaço,

com os tempos e as frequências

de relógios que estão situados
por todo o planeta,

poder-se-á validar a teoria de Einstein,

sabendo que todas as teorias modernas

preveem a violação da teoria de Einstein.

Há um verdadeiro desafio científico nisso,

vai-se testar diferentes aspetos
da relatividade geral.

Vai-se testar, por exemplo,
uma propriedade muito interessante,

que diz que as constantes
fundamentais são constantes.

Não é anódino; em física,

há todo um jogo de constantes
— que supomos serem constantes —

e, de facto, todas as teorias modernas
preveem que essas constantes

derivam tanto no tempo como no espaço,

vai poder-se testar com muita precisão.

Vai testar-se também
um efeito de relatividade geral

que diz que o tempo
decorre a um ritmo diferente

em função da altitude.

Por exemplo, os que estão
sentados na primeira fila

não envelhecem com a mesma velocidade

dos que estão sentados na última fila,

porque não estão sentados
à mesma altitude.

Tranquilizem-se, porque
durante a minha palestra,

a diferença de envelhecimento
é mais ou menos de um psicossegundo,

ou seja 10 elevado a -12, portanto
um milionésimo de milionésimo de segundo.

Não vale a pena correr para descer
ou para subir, fiquem sentados!

Vai testar-se também
se a velocidade da luz é constante,

é um postulado extremamente forte
da relatividade restrita,

dizer que a velocidade da luz
é independente do referencial

em relação ao qual a medimos.

É uma propriedade extremamente importante,

que é utilizada para efetuar
medições de distância,

a partir de medidas de tempo.

Se quisermos medir uma distância,

utilizamos um sinal que vai propagar-se,

e conhecendo o tempo de propagação,

se supusermos que a velocidade
de propagação é conhecida,

o que acontece com a velocidade da luz,

vamos deduzir a distância.

Podem dizer que não é preciso
ter relógios ultra estáveis para isso.

Mas sim!

Como a luz anda depressa,
a 300 000 km por segundo,

se fizermos um erro de um nanossegundo,

de mil milionésimos de segundos,

enganamo-nos em 30 centímetros.

Normalmente, este tipo de aplicação,

medir distâncias
a partir de medidas de tempo,

é usado para medir
a distância da Terra à Lua

enviando impulsos para a Lua

que se refletem por retrorrefletores

lá instalados pelas missões Apollo

para medir a distância da Terra à Lua,
ao centimetro.

Quando medimos uma distância,

sabemos posicionar-nos.

Como se faz isso?

Com o sistema GPS, por exemplo.

Se temos uma constelação de satélites

em que há relógios atómicos
todos sincronizados,

medindo o tempo de percurso de cada onda,

desde cada satélite até ao nosso recetor,

medidos a distância
em relação a cada satélite

e por triangulação,
medimos a nossa posição.

Precisamos de quatro satélites
porque no espaço-tempo,

há quatro coordenadas: x, y, z e t
porque também é preciso o tempo

para nos posicionarmos no espaço-tempo.

Vemos que as aplicações do GPS

não são apenas para posicionar o automóvel,

onde temos necessidade de ter
uns metros de resolução.

Também têm aplicação
em termos de geofísica,

porque vão poder analisar

o movimento das placas tectónicas

com resoluções da ordem
de uns centímetros por ano,

o que é uma resolução muito boa.

É interessante porque,
a partir das medidas de tempo,

conhecemos o funcionamento da Terra,

conhecemos as flutuações
da rotação da Terra.

É interessante porque,
historicamente, era o contrário:

era a rotação da Terra que dava as horas.

Atualmente é o contrário,
é a medida do tempo

que permite conhecer
as flutuações da rotação da Terra.

É uma coisa que,
provavelmente, já ouviram falar

na rádio ou na televisão,

os famosos segundos intercalares:

o facto de que a Terra não roda em redondo
— toda a gente sabe —

enquanto o tempo atómico
é infinitamente estável,

faz com que as duas escalas de tempo,

ligadas à rotação da Terra
e aos relógios atómicos,

derivem um em relação ao outro.

Para evitar que se afastem demasiado,

acrescenta-se, voluntariamente,
a nível internacional,

um segundo suplementar

a que se chama segundo intercalar.

Isso significa que, em geral,
de dois em dois anos,

quer a 30 de junho,
quer na noite de 31 de dezembro,

— em 31 de dezembro,
não se dá muito por isso —

há um minuto que tem 61 segundos.

Esse salto tem que ser feito
em toda a Terra.

À laia de conclusão,

gostaria de vos mostrar
que a medida do tempo

saiu do domínio da astronomia

para entrar no domínio da física atómica

e no da mecânica quântica.

Desde a invenção dos relógios,
por volta de meados do século XX,

temos ganho num fator de 10,
de 10 em 10 anos.

É uma progressão
verdadeiramente impressionante.

Sempre que se tem melhorado
a precisão, dizemos:

"Isso não serve para nada,
esses números todos à direita da vírgula".

Mas não é verdade.

Houve uma aplicação

que apareceu depois,
10 anos depois, 20 anos depois

que utilizou essa precisão.

Penso que dizer, em conclusão,

que os medidores de tempo
estão avançados em relação ao seu tempo

tem toda a lógica, neste caso.

Muito obrigado.

(Aplausos)