¿Cómo se mide un segundo? ¿Y por qué se mide de esa manera?

¿Por qué no modificamos la medida de 1 segundo muy levemente para evitar los años bisiestos por completo?

La rotación de la tierra y la revolución de la tierra alrededor del sol no están sincronizadas en absoluto. La Tierra realmente gira 365,24219647 veces durante cada revolución (en 1992, esta proporción cambia ligeramente cada año, el año tropical se acorta aproximadamente medio segundo cada siglo); así que incluso si fijamos la definición de tiempo a la revolución de la tierra alrededor del sol, todavía necesitaremos un año bisiesto cada 4 años (lo que no necesitaríamos serían segundos bisiestos).

Otra razón es porque la medición precisa del tiempo se volvería incomparable. Dado que el período de revolución de la tierra (es decir, el año tropical) no es constante, si usamos la definición de segundo para que coincida exactamente con el período de revolución, entonces cada vez que desee especificar una duración de tiempo precisa, también tendrá para especificar de qué año se toma esa definición de segundo, y necesitará una tabla que registre la duración del segundo de cada año.

¿Hay alguna razón técnica...?

Sí, porque con el equipo adecuado cualquiera, en cualquier momento, puede tomar un átomo de cesio-133, ponerlo en las condiciones especificadas y medir el mismo segundo, y no tendrá un cambio anual como lo haría el segundo de la rotación/revolución de la tierra. Hasta donde sabemos, la frecuencia de cesio-133 en 1978 debería ser la misma que la frecuencia de otro cesio-133 en 2049.

Sí, hay una muy buena razón por la que un segundo, nuestra principal unidad de tiempo, se define de esta manera: precisión. El aparato más preciso que tenemos (o tuvimos) para medir el tiempo son los relojes atómicos ; si un segundo se definiera como 0,7 de un latido del corazón, la precisión y constancia de este "un segundo" sería claramente más pobre. Algunos de los relojes atómicos más precisos y disponibles se han basado exactamente en esta transición de cesio. Cuando un átomo emite un fotón mientras cae a un nivel de energía más bajo, la frecuencia de la luz es siempre la misma.

En estos relojes basados ​​en láser, uno tiene un haz que oscila periódicamente y las oscilaciones son realmente coherentes y precisas y literalmente se pueden contar los períodos. Se eligió el número exacto de alrededor de 9,19 mil millones para estar de acuerdo, dentro de la precisión disponible, con las definiciones anteriores de un segundo que originalmente se definió como 1/86,400 de un día solar promedio. En estos días, nuestros relojes, los relojes atómicos, pueden medir el tiempo con mayor precisión y también detectar irregularidades en el movimiento de la Tierra. Es por eso que a veces también tenemos que insertar segundos bisiestos, etc.

Siempre y cuando se construyan tipos de relojes más precisos, las definiciones se actualizarán de acuerdo con estos nuevos relojes.

Para fines cotidianos, hay exactamente 86.400 segundos en un día (medianoche a medianoche). Pero, la rotación de la Tierra alrededor de su eje y la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol no son exactamente ni uniformes ni estables. La rotación de la Tierra se está desacelerando muy gradualmente, y hay una serie de factores que hacen que el "mediodía" por observación solar a veces sea más, a veces menos de 86,400 segundos desde el "mediodía" solar anterior. Si promedias durante un año solar, seguro que te acercarás mucho, pero a lo largo de varios años verás variaciones.

Para fines científicos y de ingeniería, la unidad fundamental para la medida del tiempo (el segundo) debe tener una definición fija, no una que se actualice cada pocos años solo para mantenerse al día con la ocurrencia del mediodía solar. Por lo tanto, los relojes atómicos se desarrollaron para proporcionar una referencia estable contra la cual se puede definir el segundo de una vez por todas (hasta que se descubra que los relojes atómicos actuales no son una referencia lo suficientemente estable y hay algún otro fenómeno medible que es aún más estable).

Por lo que vale:

Los años bisiestos no tienen nada que ver con el segundo como unidad de tiempo. Los años bisiestos ocurren porque la rotación de la Tierra alrededor de su eje (de donde obtenemos nuestro día) y la órbita de la Tierra alrededor del Sol (de donde obtenemos nuestro año) no están relacionadas por un número entero, y queremos mantener nuestros calendarios en alineación con el día y el año naturales.

Los segundos bisiestos ocurren porque queremos dividir nuestro día solar medio uniformemente en horas, minutos y segundos, y el día solar medio se alarga gradualmente (la rotación de la Tierra se está desacelerando gradualmente), pero no queremos modificar nuestra definición de el segundo. Los segundos bisiestos se agregan "según sea necesario", lo que ocurre de manera algo irregular porque hay una serie de factores que afectan la rotación de la Tierra.

Breve historia de la astronomía y la medida del tiempo

Hace mucho tiempo, a los humanos les resultó beneficioso medir el tiempo. El primer dispositivo para medir el tiempo fue algo así como un palo en el suelo; cuando el Sol parecía moverse por el cielo, el palo proyectó una sombra en movimiento en el suelo. Medir la posición de la sombra se convirtió en la primera medida del tiempo.

A medida que surgió la necesidad de una mayor precisión y exactitud, se inventaron otros dispositivos, como los relojes de agua y, finalmente, los relojes de péndulo y volante. Con el desarrollo de la electrónica, se pudo obtener mucha mayor precisión, estabilidad y exactitud. Para algunos propósitos, se requería aún mayor precisión y estabilidad, por lo que se desarrollaron los relojes atómicos.

A medida que los relojes adquirieron una precisión cada vez mayor, y los movimientos de la Tierra y otros cuerpos celestes se midieron con una precisión cada vez mayor, se descubrió que la Tierra en realidad tiene muchos movimientos complejos que afectan la posición observada del Sol en el cielo. Los movimientos de "primer orden" son los que todos conocemos: la rotación de la Tierra sobre su eje y la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Sin embargo, la órbita de la Tierra no es un círculo perfecto (es una elipse) y los parámetros de la elipse cambian con el tiempo. Además, el eje de rotación de la Tierra no es fijo: sufre un conjunto complejo de precesiones a lo largo del tiempo. Todas estas cosas se combinan para hacer que la verdadera duración de un día solar e incluso un año sea irregular. Estas variaciones son medibles con un reloj suficientemente preciso.

Desde una perspectiva humana y cotidiana, la unidad de tiempo fundamental es el día solar, que dividimos en horas, minutos y segundos, dándonos exactamente 86.400 segundos por día. Sin embargo, un día no es una cantidad fija de tiempo, por lo que tenemos que elegir exactamente cuánto tiempo se representa cuando un reloj mide un segundo, por lo que un día solar observado es solo aproximadamente esa cantidad de segundos. Para propósitos cotidianos, aceptamos la aproximación y ajustamos nuestros relojes de vez en cuando para mantenerlos al día con el día solar. Para fines científicos, al segundo se le da una definición precisa que se aproxima a la familiar, pero se basa en el fenómeno más estable que podemos medir de manera útil (como la transición de estado de un átomo).