Segundo

O segundo é a unidade base de tempo do SI. Definido atualmente (desde 1967) como 9.192.631.770 oscilações da radiação emitida por uma transição específica no átomo de césio-133 ao zero absoluto, no estado fundamental.

Definições históricas:

• Antes de 1956: 1/86.400 de um dia solar médio. Vinculado à rotação da Terra, que é irregular.
• 1956-1967: 1/31.556.925,9747 do ano tropical de 1900. Resolveu o problema de irregularidade da rotação, mas ainda arbitrário.
• 1967-presente: definição por relógio atômico de césio-133 acima.

Os relógios atômicos modernos (o conjunto do BIPM, o NIST-F2 do NIST) são precisos a cerca de uma parte em 10¹⁶ — suficiente para que ganhariam ou perderiam menos de um segundo ao longo da idade do universo. Os relógios de Cs-133 agora estão sendo complementados por relógios de treliça óptica ainda mais precisos (uma parte em 10¹⁸ ou melhor), que podem formar a base de uma futura redefinição.

O segundo é a unidade SI mais fundamental em termos práticos: o metro é definido em termos do tempo de viagem da luz, o quilograma em termos da constante de Planck que envolve tempo, e a maioria das medições modernas depende em última instância de uma cronometragem precisa.

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Relógios de treliça óptica e a iminente redefinição: a definição de césio-133 de 1967 fixou o segundo com precisão de ~10⁻¹⁶, que era o estado da arte na época. Relógios de treliça óptica de estrôncio e itérbio construídos desde 2014 (NIST, JILA, RIKEN, PTB) agora demonstram precisão de ~10⁻¹⁸ — 100 vezes melhor do que a definição existente pode expressar. A Conferência Geral de Pesos e Medidas aprovou um roteiro para redefinir o segundo em torno de uma transição óptica, com meta para 2030 ou pouco depois. A redefinição preservará o segundo existente dentro do ruído de medição, mas permitirá que o GPS, os sistemas de negociação financeira e os experimentos de física fundamental se ancorem a uma referência mais precisa.

O segundo está no centro do grafo do SI: desde 2019, todas as sete unidades base do SI são definidas por constantes fundamentais, e a maioria dessas constantes depende implicitamente do segundo. O metro depende da velocidade da luz (uma medição envolvendo tempo). O quilograma depende da constante de Planck (em joule-segundos). O ampere depende da carga elementar por segundo. A candela depende de watts por esterradiano (energia por segundo). Apenas o kelvin (Boltzmann), o mol (Avogadro) e o próprio segundo são independentes dos segundos. Se a precisão do relógio atômico melhorar, a precisão de todas as outras unidades do SI melhora com ela. Referência: Brochura SI do BIPM — O segundo.

Exemplo prático

O GPS depende do segundo de forma fundamental. Cada satélite carrega um relógio de césio ou rubídio; a trilateração da posição usa o tempo de viagem dos sinais de rádio de pelo menos quatro satélites à velocidade da luz (~299.792.458 m/s). Um erro de temporização de apenas 1 nanosegundo corresponde a um erro de posição de ~30 cm: 299.792.458 m/s × 10⁻⁹ s ≈ 0,30 m. Um erro de 1 microsegundo se torna 300 m, o que tornaria o GPS inútil para navegação rodoviária. Os satélites também devem corrigir para a relatividade geral (relógios mais altos no campo gravitacional da Terra andam ~38 microssegundos por dia mais rápido do que os relógios no solo) e a relatividade especial (a velocidade orbital faz com que andem ~7 microssegundos por dia mais lento). A correção líquida (~38 − 7 = ~38 µs/dia mais rápido) é codificada no relógio do satélite no lançamento; sem ela, o GPS derivaria ~11 km/dia.

Quando e por que isso importa

Além do GPS, o segundo sustenta a marcação temporal dos mercados financeiros (a MiFID II na Europa exige sincronização de relógio com precisão de microsegundos para locais de negociação, rastreável ao UTC), sincronização de fase da rede elétrica (PMUs amostragem centenas de vezes por segundo para detectar instabilidade da rede antes de se propagar), telecomunicações (estações base LTE/5G devem ser sincronizadas no tempo a 1 µs umas das outras para handoff) e medição científica (as detecções de ondas gravitacionais do LIGO dependem de correlacionar sinais de sites em Washington e Louisiana dentro de nanosegundos). O protocolo PTP (IEEE 1588) e os osciladores disciplinados por GPS são como os data centers obtêm tempo sub-microsegundo em milhares de servidores sem que cada um precise de seu próprio relógio atômico. Referência: NIST — Divisão de Tempo e Frequência.