Miré algunas de las otras publicaciones sobre la precisión de los relojes atómicos, pero no pude derivar la respuesta a mi pregunta.
He visto que se dice que los relojes atómicos tienen una precisión del orden de segundos por segundo Sin embargo, si no existe un marco de referencia absoluto con el que medir el "tiempo real", ¿cuál es el reloj de referencia con respecto al cual se puede medir el ritmo de un reloj atómico?
¿Es significativa la precisión de un reloj atómico? ¿No podemos simplemente decir que los relojes atómicos son perfectamente precisos y usarlos como referencia para todo lo demás?
Esta es una pregunta buena y algo engañosa por varias razones. Intentaré simplificar las cosas.
Primero, veamos la definición moderna del segundo SI .
El segundo, símbolo s, es la unidad de tiempo SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de cesio ∆νCs, la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133, como 9192631770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s−1.
Énfasis mío
La palabra clave aquí es imperturbable . Esto significa, entre otras cosas, que el átomo de Cs no debe tener movimiento y no debe haber campos externos. Volveremos sobre por qué estos efectos sistemáticos son tan importantes en breve.
¿Cómo construimos un reloj basado en estas definiciones del segundo? Lo hacemos de la siguiente manera. La frecuencia de transición de Cs es de unos 9,19 GHz. Esta es una señal de microondas. Usando electrónica analógica, los ingenieros pueden generar señales eléctricas muy precisas en estas frecuencias y estas frecuencias se pueden sintonizar para abordar la transición atómica Cs. La idea básica es bañar los átomos de Cs en radiación de microondas en la vecindad de 9.192631770 GHz. Si está en resonancia, los átomos se excitarán al estado excitado. Si no, permanecerán en el estado fundamental. Por lo tanto, al medir si los átomos están en el estado fundamental o excitado, puede determinar si su señal de microondas está en resonancia o no.
Lo que en realidad terminamos usando como reloj (lo que marca los eventos periódicos que podemos contar) es en realidad la señal de microondas de 9,19 GHz que genera una caja electrónica*. Una vez que vemos 9192631770 oscilaciones de esta señal de microondas (contadas midiendo el cruce por cero de la señal de microondas usando electrónica) decimos que ha pasado un segundo. El propósito de los átomos es verificar que la frecuencia de microondas sea la correcta. Esto es similar a cómo puede restablecer el reloj de su microondas o horno para que coincida con su teléfono de vez en cuando. Calibramos o disciplinamos un reloj a otro.
Entonces, un reloj atómico funciona disciplinando una señal de microondas a una frecuencia de transición atómica. Ahora, supongamos que construyes un reloj basado en este principio y yo también construyo uno y ponemos en marcha nuestros relojes al mismo tiempo (encender nuestros osciladores de microondas y empezar a comparar con los átomos de vez en cuando). Hay dos posibilidades. La primera es que nuestros dos relojes siempre marcan exactamente la misma hora. La segunda es que hay ruido o fluctuaciones en alguna parte del sistema que hacen que tengamos tics en momentos ligeramente diferentes. ¿Cuál crees que sucede? Deberíamos guiarnos por el principio de que nada en la física experimental es exacto. Siempre hay ruido. La física del reloj atómico tiene que ver con aprender y comprender el ruido.
Este es el tema principal de la pregunta del OP. Aquí es también donde la palabra clave imperturbable vuelve a entrar en juego. El efecto Zeemandice que si el átomo está en un campo magnético, su frecuencia de transición cambiará ligeramente. Esto significa que un campo magnético constituye una perturbación. Esta es una de las razones por las que su reloj y el mío pueden funcionar en diferentes momentos. Nuestros átomos pueden experimentar campos magnéticos ligeramente diferentes. Ahora, por esta razón, usted y yo haremos todo lo posible para asegurarnos de que no haya absolutamente ningún campo magnético presente en nuestro reloj atómico. Sin embargo, esto es difícil porque hay materiales magnéticos que necesitamos usar para construir nuestro reloj, y hay campos magnéticos debido a la tierra y los destornilladores en el laboratorio y todo tipo de cosas. Podemos hacer todo lo posible para eliminar el campo magnético, pero nunca podremos eliminarlo por completo. Una cosa que podemos hacer es intentar medir qué tan grande es el campo magnético y tener esto en cuenta al determinar nuestra frecuencia de reloj. Suponga que los átomos experimentan un cambio de Zeeman lineal de **. Eso es
Ahora, si entro en mi reloj atómico, puedo intentar hacer todo lo posible para medir el campo magnético en la ubicación de los átomos. Supongamos que mido un campo magnético de 1 mG. Esto significa que tengo un cambio conocido de mi frecuencia de transición Cs de . Esto significa que, en ausencia de otras perturbaciones en mis átomos, esperaría que mis átomos tuvieran una frecuencia de transición de 9,19263 2 770 GHz en lugar de 9,19263 1 770 GHz.
Bien, entonces, si tú y yo medimos los campos magnéticos en nuestros relojes y compensamos este cambio lineal de Zeeman, ahora nuestros relojes funcionan a la misma frecuencia, ¿verdad? Equivocado. El problema es que, independientemente de cómo midamos el campo magnético, esa medida en sí tendrá cierta incertidumbre. Así que en realidad podría medir el campo magnético en mi reloj para ser
Esto corresponde a una incertidumbre en mi frecuencia de transición atómica de
Eso significa que debido a la incertidumbre sobre mis cambios sistemáticos, no sé exactamente la frecuencia de transición de mis átomos. Es decir, no tengo átomos de Cs en estado fundamental no perturbados , por lo que mi experimento no implementa exactamente la definición SI del segundo. Es solo mi mejor conjetura.
Pero, tenemos algo de información. ¿Qué pasaría si pudiéramos comparar mis átomos con átomos de Cs perfectos e imperturbables? ¿Cuánto podría diferir mi reloj de ese reloj ideal? Supongamos que disminuyo la frecuencia de mi reloj en 1 kHz para tener en cuenta el cambio del campo magnético, de modo que mi reloj funcione a
Mientras que el reloj Cs ideal funciona (por definición del segundo SI) exactamente a
Ejecutemos ambos para . El reloj ideal obviamente marcará
Fue dos tics lento después de un segundo. Al darle la vuelta, podemos preguntar si usamos mi reloj para medir un segundo (es decir, si dejamos que marque bajo el supuesto, nuestra mejor suposición, de que la frecuencia del reloj real es de hecho 9.192631770 GHz), ¿cuánto tiempo tomaría realmente?
Vemos que después de un segundo mi reloj se atrasa alrededor de 200 ps después de 1 s. Bastante bien. Si corres mi reloj por entonces se apagará por un segundo. Esto corresponde a una incertidumbre fraccionaria de aproximadamente
Aquí quiero hacer algunas manipulaciones matemáticas más para mostrar la relación entre la incertidumbre de frecuencia fraccionaria para un reloj y la métrica comúnmente conocida como "número de segundos necesarios antes de que el reloj pierda un segundo".
Supongamos que tenemos dos relojes, un reloj ideal que tiene átomos imperturbables que funciona a una frecuencia y un reloj real que hemos calibrado, por lo que nuestra mejor suposición es que funciona a , pero hay una incertidumbre , por lo que realmente funciona en . Ahora vamos a ejecutar estos dos relojes por tiempo y ver cuánto tiempo tenemos que ejecutarlo hasta que estén apagados por .
A medida que avanza el tiempo, cada reloj marcará un cierto número de veces. El subíndice es para el reloj ideal y es real
Esto relaciona el número de tics con la cantidad de tiempo transcurrido. Sin embargo, en realidad medimos el tiempo contando los ticks. Así podemos anotar qué tiempos y inferiríamos de cada uno de los dos relojes (al multiplicar el número observado de oscilaciones por la frecuencia de oscilación supuesta ).
Estas son las ecuaciones clave. Nótese que en la primera ecuación vemos que el tiempo inferido del reloj ideal es igual que por supuesto tenía que ser la causa porque el tiempo en realidad está definido por . Ahora, para el reloj real, estimamos su lectura de tiempo dividiendo su número de tics, (que no es ambiguo) por . ¿Por qué no dividí por ? Recuerde que nuestra mejor conjetura es que el reloj real marca las , es una incertidumbre, por lo que en realidad no sabemos si el reloj avanza rápido o lento por cantidad , solo sabemos que no sería tan improbable desde el punto de vista estadístico que estemos equivocados por esta cantidad. Es esta incertidumbre la que conduce a la discrepancia en la lectura del tiempo entre los relojes reales e ideales.
ahora calculamos
Entonces vemos
Entonces vemos que la razón de la diferencia de tiempo al tiempo transcurrido viene dada exactamente por la razón de la incertidumbre de frecuencia a la frecuencia del reloj .
Para responder a la pregunta del OP, no existe ningún reloj perfecto con el que podamos comparar los mejores relojes atómicos del mundo. De hecho, los relojes atómicos más precisos del mundo (relojes ópticos basados en átomos como Al , Sr o Yb ) son en realidad órdenes de magnitud más precisos que los relojes que se usan para definir el segundo (relojes de microondas Cs).
Sin embargo, midiendo los efectos sistemáticos podemos estimar qué tan lejos del ideal está un reloj real dado de un reloj ideal. En el ejemplo que di arriba, si sabemos que el campo magnético es inferior a 0,002 mG, entonces sabemos que el reloj está a menos de 2 Hz de una frecuencia de reloj ideal. En la práctica, cada reloj tiene un zoológico completo de efectos sistemáticos que deben medirse y restringirse para cuantificar la precisión del reloj.
Y una nota final. Otra métrica de reloj importante que no hemos mencionado aquí es la estabilidad del reloj. La estabilidad del reloj está relacionada con el hecho de que la medida que usamos para determinar si hay una desafinación de frecuencia entre el oscilador de microondas y la frecuencia de transición atómica siempre tendrá cierta incertidumbre estadística (diferente del cambio sistemático que describí anteriormente), lo que significa que podemos No puedo decir con una sola medida exactamente cuál es la frecuencia relativa entre los dos. (En ausencia de desviaciones) podemos reducir esta incertidumbre estadística tomando más medidas, pero esto lleva tiempo. Una discusión sobre la estabilidad del reloj está fuera del alcance de esta pregunta y requeriría una pregunta por separado.
Aquí hay una breve nota sobre los marcos de referencia porque se mencionan en la pregunta. La relatividad especial y general estipulan que el tiempo no es absoluto. Cambiar los marcos de referencia cambia el flujo del tiempo e incluso, a veces, el orden percibido de los eventos. ¿Cómo entendemos el funcionamiento de los relojes, especialmente los relojes atómicos de precisión, a la luz de estos hechos? Dos pasos.
Primero, vea esta respuesta que nos convence de que podemos tratar la superficie equipotencial gravitacional al nivel del mar como un marco inercial. Entonces, si todos nuestros relojes están en este marco, no habrá cambios de luz relativistas entre esos relojes. A primer orden, esta es la suposición que podemos hacer sobre los relojes atómicos. Mientras todos estén dentro de este mismo marco de referencia, no tenemos que preocuparnos por eso.
En segundo lugar, sin embargo, ¿qué pasa si nuestros relojes están a diferentes alturas? Los relojes atómicos en Boulder, Co están a más de 1500 m sobre el nivel del mar. Esto significa que tendrían cambios gravitatorios en relación con los relojes al nivel del mar. De hecho, al igual que el campo magnético, estos cambios constituyen cambios sistemáticos en las frecuencias del reloj que deben estimarse y contabilizarse. Es decir, si su reloj es lo suficientemente sensible (o estable) para medir los cambios de frecuencia relativistas, entonces parte del trabajo de hacer funcionar el reloj es estimar la elevación del reloj en relación con la superficie equipotencial del nivel del mar de la Tierra. Los relojes ahora son tan estables que podemos medir dos relojes que funcionan a diferentes frecuencias si levantamos un reloj unos pocos centímetros con respecto a otro en el mismo edificio o habitación. Vereste artículo de noticias populares .
Entonces, la respuesta a cualquier pregunta sobre planos de referencia y relojes atómicos es la siguiente. Al especificar dónde se define "tiempo" tenemos que indicar la superficie equipotencial gravitatoria o marco inercial que tomamos como nuestro marco de referencia. Esto es típicamente convencionalmente la superficie de la tierra. Para cualquier reloj fuera de esta referencia (recuerde que el sistema GPS usa relojes atómicos en satélites) debemos medir la posición y la velocidad de estos relojes en relación con el marco de referencia de la Tierra para que podamos estimar y corregir los cambios relativistas que experimentan estos relojes. Estas medidas, por supuesto, vendrán con cierta incertidumbre, lo que resultará en inexactitudes de reloj adicionales según el resto de mi respuesta.
*Te preguntarás: ¿Por qué entonces necesitamos un reloj atómico? ¿No podemos simplemente tomar nuestro generador de funciones de microondas y configurarlo a 9.192631770 GHz y usarlo como nuestro reloj? Bueno, claro, puede marcar ese número en su generador de funciones, pero lo que realmente va a hornear su fideos es "¿cómo sabemos que el generador de funciones está emitiendo la frecuencia correcta?" La respuesta es que no podemos saberlo realmente a menos que lo comparemos con la definición moderna del segundo. La señal de microondas probablemente se genera al multiplicar y dividir la frecuencia de un oscilador mecánico como un oscilador de cuarzo o algo que tenga una frecuencia de oscilación nominal, pero nuevamente, no podemos saber realmente cuál es la frecuencia de esa cosa a menos que la comparemos. a la definición del segundo, un átomo.
** Me inventé este número. La transición de Cs que se usa para los relojes atómicos de Cs en realidad no tiene un cambio de Zeeman lineal, solo un cambio de Zeeman cuadrático, pero eso no importa para los propósitos de este cálculo.
La Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en Francia calcula un promedio ponderado de los relojes maestros de 50 países. Ese promedio ponderado luego da el Tiempo Atómico Internacional (TAI), que forma la base de los otros tiempos internacionales (por ejemplo, UTC, que difiere del TAI por el número de segundos intercalares que se han insertado, actualmente 37).
Sin embargo, no hay una sola fuente que proporcione TAI en tiempo real. Más bien, BIPM básicamente recopila estadísticas de cada laboratorio nacional, calcula un promedio mundial y publica una circular mensual que muestra cómo cada uno difiere del promedio en el transcurso del mes anterior. Los laboratorios nacionales luego usan estos datos para ajustar sus relojes para que todos permanezcan en estrecha sincronización.
La mayoría de las estadísticas se recopilan mediante el uso de GPS para su difusión. Es decir, un laboratorio comparará periódicamente su hora local con la hora que recibe a través del GPS y enviará la diferencia que observó a BIPM. Algunos enlaces (8, a partir de la circular actual) utilizan en su lugar la transmisión bidireccional de su hora y frecuencia actuales.
BIPM también publica un informe semanal "UTC rápido" con información similar para brindar a los laboratorios nacionales información un poco más actualizada para ayudarlos a estar mejor sincronizados.
Para ayudar en las comparaciones basadas en GPS, BIPM periódicamente (más recientemente a fines de 2018) realiza viajes alrededor del mundo a los diversos laboratorios nacionales con un par de receptores GPS que se utilizan para calibrar los receptores en cada laboratorio.
Los relojes maestros de esos países son en sí mismos un promedio de varios relojes atómicos, todos almacenados en bóvedas para mantenerlos en el entorno más constante posible.
Estos no son , sin embargo, todos construidos de forma idéntica. Permítanme dar el reloj maestro del Observatorio Naval de EE. UU. como ejemplo:
La escala de tiempo del reloj atómico del Observatorio se basa en un conjunto de patrones de frecuencia de haz de cesio, máseres de hidrógeno y fuentes de rubidio. Los datos de frecuencia de este conjunto se utilizan para dirigir la frecuencia de otro máser similar, formando nuestro Reloj Maestro designado (MC), hasta que su tiempo sea igual al promedio del conjunto, proporcionando así la realización física de esta "escala de tiempo en papel".
Específicamente, la frecuencia de un dispositivo llamado generador de salida auxiliar se ajusta periódicamente para mantener la hora de este máser sincronizada lo más cerca posible con la de la escala de tiempo media calculada USNO escala de tiempo UTC (USNO), que a su vez se ajusta para estar cerca al UTC previsto. La escala de tiempo de referencia interna no dirigida se designa como A.1, mientras que la referencia del reloj maestro real se denomina UTC (USNO).
UTC (USNO) generalmente se mantiene dentro de los 10 nanosegundos de UTC. Diariamente se calcula una estimación de la diferencia que cambia lentamente UTC - UTC (USNO).
El reloj de referencia más fácilmente disponible para muchas personas es una señal de GPS, por lo que probablemente valga la pena mencionarlo un poco. Cada satélite GPS tiene al menos un reloj atómico a bordo (y la mayoría tiene dos). Estos son (ocasionalmente) ajustados por una estación terrestre (Base de la Fuerza Aérea Schriever, Colorado), en última instancia, basados en el reloj maestro del Observatorio Naval de EE. UU.
Sin embargo, también tenga en cuenta que la mayoría de los receptores GPS típicos utilizarán la hora de otros sistemas de satélites (por ejemplo, GLONASS) de forma intercambiable con los satélites GPS reales. De hecho, en un momento dado, es bastante rutinario que esté utilizando señales de algunos satélites de cada sistema. Desde el punto de vista del usuario, los dos son idénticos, pero GLONASS es un sistema ruso, por lo que (como era de esperar) se controla desde una estación base rusa y utilizan su propio reloj maestro como base para su tiempo, aunque EE. UU. y Rusia contribuyen a TAI. , por lo que los relojes permanecen estrechamente sincronizados.
Otro punto levemente interesante: los relojes en los satélites GPS deben ajustarse debido a los efectos relativistas: tanto la relatividad especial como la general afectan el tiempo (es decir, se ven afectados tanto por el hecho de que se mueven rápido como por el hecho de que están a una altitud lo suficientemente alta como para verse mucho menos afectados por la gravedad de la tierra que los relojes terrestres).
Como se señaló en la sección sobre BIPM y TAI, los diversos laboratorios también usan GPS (y GLONASS) para sus comparaciones internas para ayudarlos a mantenerse sincronizados entre sí.
El estándar internacional se basa en un promedio ponderado de los estándares de 50 países diferentes, cada uno de los cuales (a su vez) se basa en un promedio ponderado de varios relojes separados. Los relojes individuales son de al menos tres tipos distintos (cesio, hidrógeno y rubidio).
Al menos para el Observatorio Naval de EE. UU., la salida final oficial es en realidad a través de un máser de hidrógeno, que ocasionalmente se ajusta para sincronizar su hora/frecuencia actual con la del resto del conjunto.
La salida final no oficial utilizada por la mayoría de las personas es GPS (o equivalente, GLONASS, etc.). Estos también incluyen sus propios relojes atómicos, pero se ajustan para mantener la sincronización con los relojes de referencia terrestres.
TAI se aproxima al segundo SI casi tanto como lo admite la tecnología actual (y probablemente se actualizará cuando la tecnología mejore sustancialmente, aunque un cambio tan sustancial también puede conducir fácilmente a un cambio en la definición SI del segundo). Aunque se basa en mediciones, TAI nunca está realmente actualizado: se basa en recopilar datos, promediarlos y luego (después del hecho) publicar información sobre cómo el reloj maestro de cada laboratorio difiere del promedio ponderado de todos los relojes.
Sin embargo, si no hay un marco de referencia absoluto para medir el "tiempo real", ¿cuál es el reloj de referencia con el que se puede medir un reloj atómico?
Se miden frente a un conjunto de otros relojes atómicos construidos de forma idéntica (todos en reposo entre sí y en condiciones de funcionamiento idénticas). El significa que, en promedio, dos de estos relojes se alejarán uno del otro a una velocidad del orden de un picosegundo cada pocas horas.
cuál es la referencia [...] para medir "tiempo real" [duración]
Una referencia general ampliamente estudiada para comparar duraciones se proporciona dentro de (o: por) la teoría de la relatividad: en términos de (razones de) longitudes de arco de segmentos de trayectoria de relojes, a medida que cada uno avanza a través de una secuencia de eventos "en su trayectoria temporal a través de tiempo espacial".
La duración de un punto material (participante) , de su indicación de haber tomado parte en el evento (es decir, en coincidencia con algún otro participante adecuado ), hasta su indicación de haber tomado parte en el evento (es decir, en coincidencia con algún otro participante adecuado ), se define en consecuencia como
dónde indicaciones de son de su participación en eventos de su trayecto segmento entre evento (al principio) y evento (al final), y el términos representan valores de la llamada distancia lorentziana entre los respectivos pares de eventos en los que participó.
Tenga en cuenta que el mínimo debe evaluarse de todas las sumas (en lugar de evaluar el supremo al determinar las longitudes de arco de los segmentos de la ruta espacial ) porque las distancias de Lorentzian son superaditivas por definición.
Esos valores requeridos , o más correctamente: al menos proporciones de esos valores, pueden a su vez medirse (definitivamente) mediante relojes ideales adecuadamente elegidos, como los relojes geometrodinámicos propuestos por Marzke y Wheeler .
¿Es significativa la precisión de un reloj atómico?
Con la referencia descrita se podría determinar (al menos en principio)
si un reloj dado (y especialmente cualquier reloj de tictac dado, como un reloj atómico) tiene una frecuencia (tictac) constante , o cómo "su frecuencia" (en comparación con diferentes pares de indicaciones de tictac) varió en pruebas adecuadamente extendidas, y
si las tasas (ticks) constantes por separado de dos relojes dados eran iguales, o cuánto diferían entre sí.
Pero: ¿Se utiliza realmente esta referencia en la práctica? ...
Aparentemente no, claramente sería terriblemente engorroso, laborioso, costoso, lento y absolutamente impráctico.
Sin embargo, sin utilizar una referencia tan rigurosa, parece realmente cuestionable que podamos hablar estrictamente de la precisión de los relojes genéricos; especialmente considerando la posibilidad de perturbaciones de "fuentes o razones" desconocidas , que además podrían no disminuir la precisión (mutua) de un conjunto de relojes realmente dado.
Slereah
eric torres
mariscal de campo