Relógios atômicos medem altitude com base na gravidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/01/2014

O que está por trás da técnica é a Teoria Geral da Relatividade de Einstein - o chamado desvio para o vermelho gravitacional, o mesmo usado para detectar a aceleração da expansão da Universo.
[Imagem: MPQ]

Nível do mar

Quantos metros acima do nível do mar um lugar está localizado?

E, afinal de contas, onde fica exatamente o "nível do mar"?

Muito além de meras curiosidades, respostas inadequadas a estas perguntas podem ter resultados danosos - incluindo vexames e muitos prejuízos.

Foi o que descobriram os habitantes da região de Laufenburg, na fronteira entre a Suíça e a Alemanha, quando esperavam pela inauguração da nova ponte sobre o rio Reno.

Cada um dos países ficou responsável pela construção da sua própria parte da ponte, que deveriam se encontrar no meio do rio. Quando as duas partes se aproximaram, contudo, a altura dos dois segmentos da ponte mostrava uma diferença de nada menos do que 54 centímetros.

Investigações e CPIs descobriram a fonte do erro embaraçoso: os alemães usam o nível do mar do Mar do Norte, enquanto os suíços referem-se em seu projeto ao nível do Mar Mediterrâneo. A diferença entre os dois é de 27 centímetros, mas alguém inverteu os sinais e dobrou a diferença, em vez de anulá-la.

Limites de precisão

O caso da ponte suíço-germânica mostra bem claramente que o "nível do mar" não é o mesmo em todos os lugares.

Por estranho que possa parecer, os procedimentos de medição convencionais - incluindo a tecnologias de GPS - já chegaram aos seus limites nesse assunto e não podem mais ajudar.

E os geógrafos afirmam ser urgente a medições do nível das massas oceânicas com uma precisão de pelo menos 1 centímetro.

Para eliminar os erros de medição, eles planejam recalcular o nível do mar - ou os níveis dos mares - com base da força da gravidade.

O mapa gravitacional da Terra feito do espaço tem uma resolução de cerca de 400 quilômetros.
[Imagem: ESA]

Recentemente, a sonda espacial Goce gerou um mapa gravitacional da Terra, mas ele não tem a precisão que os geógrafos querem - o mapa gravitacional da Terra que a Goce gerou tem uma resolução de cerca de 400 quilômetros.

A precisão na faixa dos centímetros, contudo, pode ser obtida com os relógios atômicos ópticos.

• Relógio atômico a laser pode redefinir o tempo

Esses relógios conseguem medir uma frequência com tamanha precisão que mesmo os pequenos desvios - causados por uma diferença de altura de alguns centímetros, por exemplo - podem ser claramente detectados.

Medindo altitude com relógio

O que está por trás disso é a Teoria Geral da Relatividade de Einstein, mais especificamente o chamado desvio para o vermelho gravitacional, o mesmo usado para detectar a aceleração da expansão da Universo e medir as distâncias de estrelas e galáxias.

Se um relógio é levado um pouco mais distante da Terra, o tempo que ele mede começa a passar um pouco mais rápido.

É muito pouco para que um astronauta em órbita sinta, mas não passa despercebido para um relógio atômico - para uma diferença de altura de um metro, a frequência de um relógio atômico muda em 1 × 10.

"A incerteza total da medição está em apenas 4 × 10, permitindo que uma diferença de altura de 4 milímetros entre os relógios seja avaliada em apenas 100 segundos de tempo de medição," explica Gesine Grosche, do Instituto Max Planck, na Alemanha.

Essas medições já haviam sido feitas anteriormente, mas os dois relógios sempre haviam estado no mesmo laboratório - Relógios atômicos podem medir gravidade da Terra.

Agora, Grosche e seus colegas descobriram uma forma de interligar dois relógios atômicos sem perder essa precisão. Eles usaram uma conexão por fibra óptica comum e uma técnica de amplificação para conectar dois relógios atômicos a uma distância de 2.000 km, sem perder a precisão.

Um método de interferometria altamente sensível permite a transferência de dados a longa distância e a comparação entre as frequências dos dois relógios com precisão de 19 dígitos.

O grupo está agora fazendo acertos com outras equipes ao redor do mundo, que dispõem de relógios atômicos similares, para que as medições possam ser expandidas para todo o mundo.

Os relógios atômicos estão redefinindo uma série de conceitos no campo da metrologia:

• Relógio atômico conecta diretamente o tempo à matéria
• Relógio atômico a laser pode redefinir o tempo
• Medição recorde pode redefinir temperatura
• Relojoeiros do futuro precisarão do passado para conhecer seu presente

Mais tópicos