¿Cómo sabemos que la frecuencia del haz de cesio que se usa en los relojes atómicos es siempre la misma?

La frecuencia está determinada por el espacio de energía entre dos configuraciones del átomo de cesio. El cesio tiene un solo electrón en el extremo$6s$orbital, y este electrón puede alinearse con o contra el espín nuclear. Estas dos configuraciones difieren en energía en aproximadamente 0,000038 eV, y las transiciones entre ellas producen/absorben luz con una frecuencia de 9.192.631.770 Hz. Esta es la frecuencia utilizada para medir el tiempo.

La única forma en que esta frecuencia podría cambiar es si cambiara el espaciado de energía de las dos configuraciones del átomo de cesio. Pero estas energías dependen solo de constantes fundamentales como la carga del electrón, la masa, la constante de acoplamiento, etc., y estas constantes son, bueno, constantes. Eso significa que los niveles de energía deben ser constantes y, por lo tanto, la frecuencia de la luz emitida también debe ser constante.

No es imposible que las constantes fundamentales en realidad no sean constantes, pero si estuvieran cambiando, los efectos de los cambios serían de gran alcance y afectarían mucho más que solo el átomo de cesio. Seguro que ya nos habríamos dado cuenta :-)

No estoy seguro de qué experimentos se han realizado para medir la constancia de los niveles de energía del cesio, pero tenga en cuenta que el tiempo atómico internacional se deriva de alrededor de 400 relojes atómicos diferentes en diferentes partes del mundo. Si todos los relojes estuvieran sujetos al mismo cambio, no lo veríamos, pero los cambios aleatorios en los relojes se detectarían de inmediato porque los relojes no estarían sincronizados.

Pero, ¿qué experimento mostró que el período del haz de cesio era tan terriblemente constante?

Lo compararon con otros relojes. Esa frecuencia es terriblemente consistente, porque en realidad no es constante , porque varía con el potencial gravitatorio. Además, esta frecuencia se expresa en Hertz, que son ciclos por segundo. Y se usa para definir el segundo . ¿Detectar el problema? Lo que realmente está pasando aquí es algo como esto: te sientas allí contando estas microondas de haz de cesio que pasan a tu lado. Luego, cuando llegas a 9,192,631,770, dices que es un segundo . Entonces la frecuencia de esas microondas es 9,192,631,770 Hz por definición . Por lo tanto, la frecuencia es siempre la misma.

En cuanto a lo que dijo John Rennie acerca de que las energías dependen de cosas como la carga del electrón, la masa, la constante de acoplamiento, etc., una expresión importante es la constante de estructura fina α = e²/2εₒhc. Ver NIST . Es una constante "en ejecución". Lo que significa que no es constante. La gente tiende a decir que e es carga efectiva, y que esto cambia mientras que εₒ h y c no lo hacen, pero esa no es toda la historia debido a la conservación de la carga y porque la velocidad "coordenada" de la luz varía con el potencial gravitatorio. Vea este artículo donde Magueijo y Moffat hablaron sobre la tautología: usamos el movimiento local de la luz para definir el segundo y el metro, luego los usamos para medir el movimiento local de la luz. ¡Eh!, uno 30 cm por encima del otro se desincroniza. Y para ponerle la guinda a esta lata de gusanos, busque en los documentos digitales de Einstein sobre "velocidad de la luz" cosas como esta:

El problema con la pregunta es la falta de definición de "igual".
En el mundo "real/'práctico", nada es igual , ¡usted tiene que especificar la medida y la precisión (exactitud) asociada/requerida para la medida!
Debido a la mayor precisión/exactitud requerida para nuestros experimentos científicos modernos, se ha creado la necesidad de estándares de mayor precisión. Entonces, si podemos encontrar algo que nos dé una referencia de alta precisión, cuyas imprecisiones debidas a todos los "defectos" posibles sean menores que la precisión requerida para los experimentos, entonces tenemos nuestro "estándar". En el caso específico del cesio, si la imprecisión de la frecuencia es menor que$1x10^{-10}$entonces dos medidas con este estándar serían "iguales" con una precisión de 1 parte en$10^{10}$.