¿Es un reloj atómico estándar de cesio ideal más preciso que el reloj de luz del experimento mental de Einstein?

Si estamos considerando relojes reales, entonces el reloj de cesio gana sin duda alguna.

Un segundo se define como el tiempo que tardan 9192631770 oscilaciones en la frecuencia de la línea hiperfina de cesio. Entonces, una vez que haya hecho coincidir su fuente de microondas con la línea de absorción de cesio, solo necesita contar el número de oscilaciones de su fuente de microondas, es decir, 9192631770, y esto es trivialmente fácil con la electrónica moderna. Así que su precisión es de una parte en aproximadamente$10^{10}$.

Suponga que hace un reloj de luz a partir de dos espejos, entonces la precisión depende de que la distancia entre los espejos sea la correcta, por lo que si sus espejos estuvieran a un metro de distancia, para que coincida con el reloj de cesio necesitaría que la distancia sea de un metro con precisión. de 1 Angstrom. Esto es ciertamente posible, pero no es trivial y necesitaría un control cuidadoso de las vibraciones y las fluctuaciones de temperatura para mantener la precisión.

Los relojes de cesio son dispositivos bastante simples. Literalmente, puedes comprarlos en el estante.

Dos relojes ideales de cualquier mecanismo siempre coincidirán entre sí. Si ambos son ideales, ambos medirán con precisión el tiempo adecuado.

Como menciona John Rennie, el reloj de luz se basa en una medición precisa de la distancia entre los dos espejos, y esa distancia debe permanecer estable mientras el reloj está funcionando. Es mucho más fácil medir el tiempo con precisión que medir la distancia, por lo que usaríamos un reloj atómico para medir y mantener la distancia del espejo.

Además, de alguna manera necesitamos medir con precisión los momentos en que la luz rebota en los espejos, y la precisión de esa medición está limitada por la longitud de onda de la luz; la longitud de onda visible más corta es de alrededor de 400 nm, que corresponde a ~$1.33×10^{-15}$segundos. Podríamos usar luz ultravioleta para una longitud de onda más corta, y tal vez incluso rayos X, aunque es necesario usar ángulos de reflexión muy bajos con rayos X.

Simplemente no es posible en la práctica hacer un reloj de luz al estilo de Einstein/Langevin que pueda tener la precisión de un buen reloj atómico. Los espejos deben colocarse con precisión, sin vibraciones externas. Por supuesto, los fotones que rebotan harán que los espejos vibren, presumiblemente así es como detectamos los reflejos. La temperatura del espejo debe mantenerse constante y el espacio entre ellos debe ser un vacío ultraduro.

De acuerdo con los estándares internacionales actuales, el segundo está definido por el estándar de cesio, que es la base de los relojes atómicos realmente buenos.

El reloj de cesio es bueno, pero no es el mejor cronometrador que tenemos. El primer reloj atómico fue un máser de amoníaco construido en 1949, pero era menos preciso que los mejores relojes de cuarzo disponibles en ese momento. El reloj de cesio-133 se desarrolló unos años más tarde, en 1955. Desde entonces, ha habido algunas mejoras en el diseño. La fuente de cesio moderna utiliza una pequeña "nube" de átomos enfriados por láser en caída libre. Usando la melaza ópticatécnica, la temperatura del átomo se reduce a ~ 40 microkelvin. Sin embargo, incluso utilizando una pequeña población de átomos tan fríos, es inevitable cierto ruido térmico y colisiones atómicas cuando la nube está energizada por microondas. Pero incluso si pudiéramos usar un solo átomo a temperaturas de picokelvin, todavía habría un cierto ancho de la frecuencia de transición, no puede ser un solo número, debido a la incertidumbre de tiempo y energía.

Hay otro problema al acecho en su pregunta. El tiempo es lo que mide un reloj. Un segundo SI se define como el tiempo que tardan 9192631770 oscilaciones en la frecuencia de la línea hiperfina de cesio-133 a 0 K. Por lo tanto, en realidad no importa que cada una de esas oscilaciones tenga una duración ligeramente diferente. Cuentas 9192631770 de ellos y tienes un segundo SI oficial. Es decir, la variación de la transición hiperfina Cs-133 se integra en la definición del segundo SI.

Ahora tenemos varios relojes que tienen marcas más precisas que el reloj de cesio. Dichos relojes se pueden usar para calibrar un reloj de cesio, pero para usar un reloj como una referencia de tiempo principal, tiene que reproducir el comportamiento del segundo SI Cs-133, verrugas y todo.

Aquí hay un resumen de la incertidumbre relativa de varios relojes atómicos, de Wikipedia .

"Haz" se refiere a un máser de haz estándar disponible en el mercado. "Fuente" es una fuente atómica, ese valor es para NIST-F2 . "Lattice" es una red óptica. "Fermi gas" es una red óptica de gas cuántico en 3D.

NIST-F1 (también una fuente atómica) tiene una incertidumbre alrededor de 5e-16. Juntos, NIST-F1 y NIST-F2 forman la principal referencia de tiempo y frecuencia para EE. UU.

FWIW, el segundo SI se definió en términos de un número integral de transiciones hiperfinas Cs-133 que coincidían aproximadamente con la definición actual del segundo de efemérides astronómicas . El segundo de efemérides original se definió como 1/86400 de un día solar medio, pero debido a las variaciones en la duración del día solar y las dificultades prácticas para medirlo, el segundo de efemérides se redefinió en términos del año tropical medio de 1900, y antes de la adopción del estándar Cs-133, el tiempo de las efemérides se determinaba a partir de las observaciones de la Luna.

Sin embargo, la duración media del segundo solar utilizada en esa definición se calculó utilizando datos recopilados entre 1750 y 1892 , y corresponde al segundo solar medio de aproximadamente la mitad de ese período, es decir, ~1820. El segundo solar medio real es algo más largo ahora.

Steve Allen del Observatorio Lick tiene mucha más información sobre este tema. Ver Breve historia de las escalas de tiempo y otros artículos en su página sobre segundos bisiestos .