¿Qué miden los relojes?

Creo que veo el corazón de tu pregunta. De hecho, no tiene nada que ver con la relatividad. Permítanme intentar reformular.

En el pasado (digamos 1700) teníamos relojes de péndulo para medir el tiempo. Dijimos que cada tictac del reloj era un segundo. Sin embargo, los marineros de la época se dieron cuenta de que si colocaba un reloj de péndulo en un barco, este funcionaría "rápido" o "lento" porque el balanceo del barco o las variaciones de temperatura alterarían la física del péndulo. ¿Cómo podían saber que iba rápido o lento? Podrían llevar el reloj de vuelta a Greenwich, donde estaba originalmente configurado, y notar que su reloj marcaba 100 000 veces, mientras que el reloj de Greenwich marcaba 120 000 veces. Esto se explica fácilmente por lo que le sucedió al reloj que pertenecía a los marineros en el barco.

Ahora, su preocupación es que cuando la gente habla de relojes atómicos (el "estándar" moderno para el cronometraje) no mencionan efectos nocivos como el "balanceo del barco" que puede hacer que los relojes atómicos funcionen más rápido o más lento. Su preocupación es que el reloj atómico podría estar "meciéndose", pero simplemente lo escondemos debajo de la alfombra y decimos que el "tiempo" corre rápido o lento. La pregunta es ¿por qué el cambio de actitud? Previamente, reconocimos los mecanismos físicos que podrían alterar la forma en que funciona el reloj y admitimos que empeoran el reloj, pero ahora simplemente lo ocultamos diciendo que el tiempo corre rápido o lento. ¿Lo que da?

Espero que lo anterior haya sido una reafirmación precisa de su pregunta. Permítanme ahora dar mi respuesta.

1) Primero, el título de este post es "¿Qué miden los relojes?". Has sugerido que los relojes miden tasas. Creo que esto es incorrecto. Creo que los relojes miden un NÚMERO de eventos. Un reloj de péndulo mide cuántas veces el péndulo llega a su extremo derecho. Un oscilador de cuarzo mide cuántas veces sus puntas alcanzan los extremos de su movimiento. Un reloj atómico mide cuántas veces la función de onda del electrón gira alrededor del núcleo*. ¿Qué son las tarifas entonces? Bueno, hemos definido que el segundo es algo así como: Cada vez que el reloj de cesio en Boulder marca 9,192,631,770 veces, decimos que ha pasado un segundo. Por lo tanto, ahora podemos decir (basándonos en la definición) que el reloj de cesio funciona a una velocidad de 9 192 631 770 tics por segundo. La cantidad medida fundamental es un número de eventos, la cantidad definida es un tiempo,

2) Bien. Pero, al igual que en el barco, ¿los efectos nocivos no pueden afectar la rapidez con la que funciona el reloj de cesio? Es decir, la cantidad de "tiempo" que transcurre entre dos tics podría cambiar si el reloj de cesio está "oscilando". ¿Cómo es que no escucho sobre ese tipo de cosas? Bueno, probablemente no haya oído hablar de ese tipo de cosas porque no está inmerso en el campo de la medición de precisión o la física atómica. Los físicos atómicos, de hecho, se preocupan todo el tiempo por las cosas que alteran el ritmo de sus átomos. Las cosas que pueden estropear la tasa de tictac son los campos eléctricos/magnéticos (hacen que los átomos tictac más rápido o más lento), las colisiones con otros átomos, etc. Un problema con los relojes atómicos es que la radiación de cuerpo negro emitida por la cámara de vacío a temperatura ambiente en la que residen los átomos hace que los átomos cambien su frecuencia de tictac. Por todo esto se reconoce que el segundo se define como la cantidad de tiempo que tardaría un átomo de Cesio en marcar 9.192.631.770 veces si estuviera a 0 K, en 0 campo magnético, en 0 campo eléctrico sin influencias externas. Sin embargo, los físicos se dan cuenta de que esto es imposible de lograr en el laboratorio. No obstante, hay beneficios tecnológicos al intentar hacer lo mejor que pueden. Así que realizan un cierto experimento y miden las garrapatas de cesio de una manera particular lo mejor que pueden e informan al mundo cada vez que su cesio garrapatas.

3) Si los relojes siempre pueden tener algún error, ¿cuál es el beneficio de tener relojes? Bueno, aunque los relojes siempre están mal hasta cierto punto, también están bien hasta cierto punto. Por ejemplo, mi amigo puede decirme: "¡Oye, nos vemos en la bolera después de que el oscilador de cuarzo de MI reloj marque 34 875 329 veces!" e incluso si él va a su casa (que mantiene a 65 F) y yo voy a mi casa (que mantengo a 70 F) y dejo caer MI reloj en el fregadero (es resistente al agua) todavía puedo sacarlo y tener fe en que una vez que mi reloj marque 34,875,329 veces, el reloj de mi amigo TAMBIÉN habrá marcado la misma cantidad para que pueda llegar a la bolera y no molestarlo con 5,328 tictac de retraso.**

El objetivo de fabricar relojes cada vez mejores es que los humanos puedan tener tanta fe en los dispositivos de mantenimiento del tiempo de los demás en escalas de tiempo cada vez más finas. Por ejemplo, si los físicos del reloj atómico de Boulder, Colorado, hacen un buen trabajo manteniendo el reloj en marcha (con campos magnéticos mínimos, etc.) y los físicos del reloj atómico de París, Francia, hacen un buen trabajo con el reloj, entonces las dos partes pueden tener fe en que, incluso después del paso de un largo período de tiempo*****, seguirán contando el mismo número de tictac de sus relojes. Esto tiene implicaciones prácticas cuando esos relojes se utilizan para sincronizar diferentes relojes en todo el mundo, incluidos los que se utilizan para el GPS satelital y el funcionamiento de los mercados bursátiles mundiales, los cuales se basan en la medición de diferencias muy pequeñas en el tiempo.

4) Y otra nota que nos recuerda a los marineros. Preguntemos de nuevo cómo sabían los marineros que su reloj iba rápido o lento (aparte de ver a sus compañeros de tripulación patear el péndulo unas cuantas veces). Notarían que el sol no saldría cuando esperaban según su reloj o llevarían su reloj a Greenwich y lo compararían allí. En ambos casos están comparando su reloj con otro fenómeno físico oscilatorio. La clave es que están comparando su reloj con un fenómeno que es más "estable"*** que el de su nave. Sin embargo, estos dos relojes también son, por supuesto, susceptibles a las fluctuaciones del reloj. Si la temperatura cambia en Greenwich, eso también afectaría su reloj de péndulo, pero no tanto como el péndulo más pequeño en el barco acosado por el duro entorno marítimo.

Además de la estabilidad, es importante que un reloj estándar se pueda recrear en otro lugar y proporcione los mismos resultados. Eso se ilustra con la presencia de relojes atómicos Cs similares en todo el mundo. La belleza es que, si puedes controlar el entorno lo suficientemente bien, un átomo de Cs en Boulder tiene la misma frecuencia de tic-tac que un átomo de Cs en París. Si todos pueden sincronizarse con estos y otros relojes en el sistema internacional de relojes atómicos, entonces podemos estar seguros de que todos podemos estar de acuerdo en el tiempo para participar en$10^{-16}$más o menos y esto puede ser útil tecnológicamente. Sin embargo, como ha identificado, HAY un límite en la precisión que podemos tener. Esto es conocido y reconocido y la gente siempre está trabajando para mejorar este límite.

editar: una nota más aquí. Dado que los relojes miden el número de eventos que suceden, y el tiempo se deriva de esa medida, en cierto sentido, si el reloj de Greenwich se ralentiza o el reloj atómico de Boulder se ralentiza, es correcto decir que el tiempo mismo se ralentiza porque así es el tiempo. se define. Sin embargo, tiene razón al señalar que debemos reconocer que esto sucede debido a efectos físicos indeseables en nuestro aparato. Por eso reconocemos que estos relojes solo tienen un nivel finito de precisión y reconocemos cierto nivel de incertidumbre en la definición/medida del tiempo. Construir un reloj mejor significa reducir esta incertidumbre.

5) Hay una dimensión de su pregunta que implica relatividad especial, pero creo que, de hecho, es el punto menos interesante. En cierto sentido, podemos decir que los efectos relativistas son solo otro efecto externo que hace que el reloj funcione de manera diferente al reloj de Boulder. ¿Qué pasa si el reloj en Boulder está experimentando efectos relativistas especiales? Bueno, todavía podemos compararlo con el reloj de París y obtener buenos resultados con cierta precisión. Eventualmente, para construir un mejor reloj, tal vez sea necesario controlar tales efectos. Algunos efectos que limitan los relojes atómicos (hacen que funcionen de manera diferente) ahora son: colisiones atómicas, radiación de cuerpo negro, los láseres utilizados para medir los átomos, campos magnéticos dispersos, etc. Alguien más cercano al campo del reloj atómico podría hacer un mejor trabajo que yo en elaboración de esta lista.

6) Recomiendo leer el libro de divulgación científica/historia "Longitud" de Dava Sobel sobre la necesidad y la invención de cronómetros de precisión para la navegación naval en el siglo XVIII para comprender las razones prácticas POR LAS QUE queremos un reloj preciso y lo que necesitamos. decir por un reloj preciso. Quizás después de comprender algunas situaciones concretas del mundo real, tendrá una mejor visión de algunas de sus preguntas abstractas.

edit2: 7) Nota importante sobre la estabilidad del reloj. Cuando digo que un reloj es estable, ¿a qué me refiero? Bueno, digamos que tengo dos relojes de pulsera construidos que fueron fabricados uno tras otro en la línea de montaje. Si los sincronizo hoy, puedo observarlos durante un año y ver qué tan lejos están. Si bajan 30 segundos en un año, entonces puedo calcular una discrepancia fraccionaria.

*Esto es un poco de física atómica aquí, pero los átomos usados ​​en los relojes atómicos pueden considerarse exactamente como péndulos. Es un sistema que oscila físicamente en el espacio. Esto puede ser tema para otra pregunta.

**Aunque, como todos sabemos, tener un reloj preciso no es garantía de que uno no llegue tarde. ¡Tal garantía requiere, además, una cierta responsabilidad personal!

***Donde la estabilidad se puede definir en un sentido técnico comparando el ritmo de tictac de un reloj con otro que está más controlado físicamente o comparando el ritmo de tictac de dos relojes si no hay un reloj "mejor". Ver apartado 7)

**** Los relojes atómicos más estables reportados de hecho usan Sr y tienen una precisión de una parte en$10^{18}$más o menos, pero estos no se utilizan como el estándar de tiempo oficial. Quizá en el futuro lo sean.

***** Tenga en cuenta que estos relojes marcan casi$10^{10}$(diez billones) de veces por segundo. En una estabilidad de$10^{16}$estos relojes pueden funcionar durante más de 10 días y no fallar ni un tictac.

El parámetro tiempo es un concepto derivado por abstracción de las observaciones físicas. Estas observaciones muestran que diferentes procesos físicos (en un lugar) exhiben una coherencia que también puede repetirse. Por ejemplo, el número de oscilaciones de un péndulo o de un volante corresponde repetidamente a una buena aproximación al vaciado de un reloj de arena o agua o al paso diario de una estrella debido a la rotación de la tierra. Esta coherencia depende, por supuesto, de la precisión de los dispositivos o procesos utilizados, pero la abstracción funciona bastante bien de que existe un parámetro.$t$llamado tiempo que mantiene una relación duradera y repetida entre diferentes procesos físicos. Usar el concepto de "tasa" para un proceso es solo una forma diferente de usar el concepto de tiempo porque la tasa es solo la cantidad de cambio dividida por el tiempo. Este concepto de un parámetro existente$t$que rigen todos los procesos físicos en un lugar ha sido extraordinariamente exitoso y se ha confirmado en todos los avances en la precisión de las implementaciones técnicas para representar este parámetro.

En mi opinión, probablemente no ha habido un cambio en el razonamiento con respecto a la posible influencia de varias condiciones físicas y errores en los dispositivos de cronometraje desde el siglo XIX. Y el concepto abstracto de tiempo independiente de los dispositivos de cronometraje existe desde la antigüedad. Sólo la comprensión de los procesos físicos utilizados y la reducción de errores han aumentado enormemente. Esto incluye la discontinuidad del concepto de un tiempo absoluto y la influencia de la gravedad sobre él en la teoría especial y general de la relatividad.

La razón principal del cambio en el razonamiento ha sido una mejor comprensión/formulación del paso del tiempo.

Sí, los relojes miden el ritmo de una cosa u otra.

Las variables a las que se refiere en sentido clásico son variables específicas de diseño. Puedes diseñar dos péndulos casi idénticos pero con una fricción ligeramente diferente. Este es un problema de diseño.

En el caso de los relojes atómicos, los problemas de diseño no aparecen o, si lo hacen, son problemas de diseño muy diferentes y, una vez calibrados, la variación en estos diseños probablemente sea nula. En un reloj clásico (péndulo), dos relojes no solo pueden tener una fricción diferente al principio, sino que su fricción también puede variar de manera diferente con el tiempo. De ahí que las cuestiones clásicas se consideren verdaderas variables porque surgen del diseño y se pueden medir.

Ahora, en el caso de los relojes atómicos calibrados, se supone que se eliminan las variables específicas del diseño. Entonces, ¿cómo sigue variando la tasa de ticks? La tasa de ticks puede variar debido a situaciones que son independientes de los problemas de diseño. ¿Cómo puede detectar este cambio en la tasa de ticks, es un problema diferente?

Por ejemplo, hoy tienes un reloj atómico en un lugar fijo de la Tierra y funciona a un ritmo. Un mes más tarde, la propia Tierra se acerca, digamos, a un par de planetas vecinos debido a las circunstancias orbitales. Ahora el mismo reloj marcará a un ritmo diferente, pero no hay forma de que pueda detectar este cambio en términos de cambios/correcciones de diseño. Todos los relojes, clásicos/atómicos/buenos/malos sufrirán ese cambio en la tasa de tictac.

Ahí es donde la relatividad viene a ayudar. Habla del marco de referencia. Dos marcos de referencia diferentes tienen diferentes tasas de ticks. Entonces, cuando la tierra se acercó a otros planetas, en efecto, el marco de referencia (contando la gravedad) cambió y también lo hizo la tasa de tic. Para detectar este cambio, debe medirlo frente a la tasa de ticks en otro marco de referencia.

Dos relojes atómicos idénticos, uno colocado en el ecuador y otro en el polo a la misma altura desde el nivel del mar, marcarán a un ritmo diferente. Dos relojes atómicos idénticos, colocados a diferentes alturas desde el nivel de la vista en la misma línea vertical, marcarán a un ritmo diferente. Estas no son diferencias específicas del diseño, son diferencias específicas del marco y, mientras se encuentra en el mismo marco de referencia, no puede detectar estos cambios, haga lo que haga.

Entonces, en comparación con su ejemplo de temperatura, el cambio de temperatura cambia el marco de referencia. Si todos los procesos están perfectamente coordinados con la temperatura, no se pueden detectar estos cambios ya que la temperatura cambia asumiendo que no se puede medir la temperatura en sí y deducir que algo cambió.

El marco de referencia definido en la relatividad dice que todo está perfectamente coordinado en ese marco: "las leyes de la física son igualmente válidas en todos los marcos de referencia inerciales".

Hay muchos tipos diferentes de relojes que fabricamos, que (dejando de lado los efectos relativistas) se puede decir que funcionan con un tiempo más o menos constante. Un péndulo simple, por ejemplo, tiene un período de aproximadamente

Un péndulo, por supuesto, no es un gran reloj. Como ha dicho, su cronometraje "constante" puede verse frustrado de varias maneras. La mayoría de estos pueden compensarse de una forma u otra, pero al final no esperamos que un péndulo mantenga el tiempo perfecto. Lo que podemos hacer es descubrir todas estas fuentes de error y cuantificarlas; esto nos da una declaración como "este péndulo mantiene el tiempo con una precisión de hasta un segundo por año".

Ahora, dejando de lado los efectos relativistas, los relojes atómicos son el "estándar de oro" de los relojes constantes. El tiempo medido por dos relojes atómicos en el mismo marco de referencia, a la misma altitud, es extremadamente consistente. Ahora, estos relojes todavía no son perfectos, hay una ligera desviación debido a un error experimental. Sin embargo, en la década de 1990, esto era menos de un nanosegundo por día, como lo muestra este gráfico de incertidumbres de reloj, realizado por NIST:

Ahora, a la relatividad. ¿Por qué creemos en la dilatación del tiempo? ¿Cómo sabemos que no son solo los relojes atómicos los que cambian de frecuencia?

En última instancia, esto se reduce al hecho de que la relatividad especial y general funcionan extremadamente bien. Recuerde que, en el momento en que se desarrolló la relatividad, no se habían medido los efectos de la dilatación del tiempo, ya que ningún reloj podía medir el tiempo con la precisión suficiente para detectar una desviación del diminuto efecto de la gravedad terrestre. La relatividad predijo que el tiempo se dilataría bajo ciertos efectos, y cuando nuestra tecnología de relojes se puso al día, nos dimos cuenta de que, de hecho, todo lo que podía considerarse un reloj actuaba exactamente como predijo la relatividad.

En última instancia, el tiempo es una construcción humana. Digamos que te subes a una nave espacial que viaja a una fracción significativa de la velocidad de la luz (digamos$\gamma=2$) y volver a la tierra. Tu reloj atómico dice que estuviste viajando durante 10 años. Has envejecido 10 años. La experiencia se sintió como 10 años. Tu reloj dice que el viaje tomó 10 años. Su reloj radiactivo ha pasado por 10 años de vida media. En relatividad, solo dirías que el viaje tomó 10 años de tiempo adecuado. Todas estas serían definiciones razonables de tiempo, y todas concuerdan entre sí.

Por supuesto, puede hacer una nueva teoría donde el tiempo es absoluto, y cualquier medida de NIST-F2 es tiempo absoluto, y son solo todos los procesos que podrían interpretarse como un reloj que cambia de velocidad cuando no está en Boulder, Colorado ( que es donde está NIST-F2). Esto tiene algunos problemas:

• Hace que sea literalmente imposible medir el "tiempo" en cualquier lugar fuera de Boulder, Colorado.
• Es extremadamente geocéntrico. Lo cual es un poco insatisfactorio desde un punto de vista filosófico.
• Estás abandonando la relatividad, lo que significa que ahora tienes que encontrar diferentes explicaciones para los muchos fenómenos aparentemente desconectados que explica la relatividad. Considere la precesión de la órbita de Mercurio, por ejemplo.
• Si puede encontrar una teoría consistente (y tenga en cuenta que no estoy afirmando que pueda hacerlo) que explique todo lo que hace la relatividad, ciertamente será más complicado. ¿De qué se trata, pues?

Para responder a sus dos preguntas principales:

¿Qué miden los relojes?

Los relojes cuentan el número de veces que ocurre la misma secuencia continua de eventos.

Dado que la velocidad se mantiene constante, si la lectura del reloj varía, se puede atribuir a un cambio en "el paso del tiempo mismo", en lugar de un mero cambio en la velocidad del proceso que se está midiendo.

No deberíamos asumir esto. La secuencia continua de eventos que cuenta un reloj puede cambiar, haciendo que el reloj sea inexacto. Entonces, para dar cuenta de esto, los físicos crean una serie de relojes usando una secuencia diferente de eventos y luego comparan sus lecturas. Si la mayoría muestra la misma lectura dentro de un cierto error, entonces los físicos pueden estar cada vez más seguros de que la secuencia de eventos que cuenta cada reloj tampoco cambia, lo que hace que los relojes sean precisos.