¿Por qué un segundo es igual a la duración de 9,192,631,770 periodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133?
¿Por qué el número de periodos es tan complicado?
Podría ser cualquier número simple, ¿por qué exactamente 9,192,631,770?
Ese número, 9192631770, fue elegido para que la nueva definición del segundo sea lo más cercana posible a la menos precisa definición antigua del segundo. Esto significa que, excepto para las medidas más precisas, los instrumentos calibrados antes de que se definiera el nuevo segundo no tendrían que ser recalibrados.
Es una definición de una unidad, que es una elección arbitraria. En el pasado solíamos definir un segundo como 1/86,400 de un día solar y más tarde como "la fracción 1/31,556,925.9747 del año tropical para el 0 de enero de 1900 a las 12 horas tiempo efemérides" pero ambos son formas bastante pobres de medir el tiempo porque el movimiento de la Tierra en el sistema solar está sujeto a perturbaciones y cambios en la distribución de masas del planeta (por vientos en la atmósfera y corrientes oceánicas e incluso grandes terremotos alteran la longitud de un día, aunque el cambio es pequeño en comparación con el "ruido" causado por lo anterior).
Cuando inventamos los relojes atómicos, teníamos mejores formas de definir la unidad básica de tiempo. La definición actualmente aceptada es como "9192631770 ciclos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133". Esta definición, también, tiene limitaciones. Ahora tenemos mejores relojes atómicos que los que se pueden construir con átomos de cesio y por lo tanto se puede esperar que la definición cambie tan pronto como los organismos nacionales e internacionales responsables de estas definiciones decidan actuar ante la disponibilidad de mejores relojes.
En el pasado también solíamos definir el metro por una longitud de onda de luz rojo-anaranjada de una línea óptica de kriptón 86. Eso convertía la velocidad de la luz en una cantidad medida. Por otro lado, uno de nuestros hechos físicos mejor probados es que la velocidad de la luz es constante, por lo que deberíamos tratarla como tal en la forma en que definimos nuestras unidades. Por lo tanto, ahora definimos la velocidad de la luz como una constante numérica simple y el metro como la distancia que la luz puede recorrer en un tiempo dado. Las definiciones de metro y segundo están, por lo tanto, vinculadas para el futuro por un factor constante.
Si pudiéramos medir distancias con una precisión mayor que la que podemos medir el tiempo (no lo hacemos y es improbable que lo tengamos en el futuro), entonces haríamos una nueva definición física para un metro y usaríamos la definición constante de la velocidad de la luz para derivar un segundo como el tiempo que la luz tarda en recorrer una cierta distancia.
Si la relatividad se mantiene estrictamente, entonces las dos formas de definir distancia/tiempo son equivalentes y siempre podemos elegir la definición que sea la más precisa y reproducible.
¿Evitaste intencionalmente el "por qué" (es decir, la compatibilidad con versiones anteriores) ya que se había abordado en otras respuestas? Si es así, deberías haberlo mencionado. +1 de todos modos por una explicación conceptual clara e información anecdótica.
@TamoghnaChowdhury: ¡Buen punto! No, no lo hice intencionalmente. Supongo que era demasiado "obvio" para mencionarlo, pero tienes razón, debería haber estado allí.
Mientras que correcta e informativa, esta respuesta de hecho no aborda la pregunta tal como se plantea.
La mayoría de las unidades físicas tienen que definirse en términos de algo medible, y una buena definición de una unidad física es aquella en la que la medición de la unidad es muy precisamente repetible.
Desde la prehistoria, un día era una forma muy natural de medir el tiempo, y era altamente repetible, en el sentido de que el procedimiento de medir un día puede realizarse en cualquier lugar de la Tierra con prácticamente el mismo resultado. Entonces, el día como unidad se dividió en dos, para (aproximadamente) amanecer a atardecer versus atardecer a amanecer, y cada mitad de un día se dividió en 12 horas. Dividir algo en 12 partes era una elección natural en ese momento, debido al uso generalizado de un sistema numérico duodecimal (base 12) en la antigua Sumeria e India en ese tiempo. La posterior división de una hora en 60 minutos, y luego después de eso dividir un minuto en 60 segundos, eran elecciones naturales en ese momento, debido al uso en otras culturas de sistemas numéricos sexagesimales (base 60). Esa definición de un segundo como siendo 124×60×60 de un día solar medio estuvo en uso desde que fue definida por el erudito persa Al-Biruni hace 1,016 años, hasta 1967.
Sin embargo, aunque medir el tiempo basado en la duración de un día solar medio era tan precisamente repetible como una definición de unidades de tiempo podría esperarse por siglos, observaciones astronómicas en los años 1800 y 1900 mostraron que la duración del día solar medio no era precisamente constante, sino que en su lugar estaba gradualmente alargándose, haciendo que el día solar medio fuera una base menos deseable para definir unidades de tiempo. En 1967, el tiempo de transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del cesio 133 era aproximadamente la medición de tiempo más precisamente repetible que era tecnológicamente posible, y ciertamente más precisamente repetible que medir la duración de un día solar medio, por lo que en 1967 la definición de un segundo se cambió para basarse en el cesio 133.
Sin embargo, redefinir el segundo para ser algo como 10,000,000,000 de esos períodos de cesio, simplemente porque 10,000,000,000 es un número "bonito" usando el moderno sistema numérico base 10, sería un cambio enormemente disruptivo para todas aquellas personas (todo el mundo) que habían estado usando un segundo tal como se había definido en los 967 años anteriores. Para minimizar esa interrupción, la nueva definición de un segundo se hizo lo más cercana posible a la misma cantidad de tiempo que la antigua definición de un segundo.
Es útil para realizar cálculos precisos definir el segundo como un número entero de esos períodos de cesio 133, y 9,192,631,770 períodos de cesio 133 estaban dentro del rango de duración del antiguo segundo, es decir, dentro del margen de error experimental de comparar esas dos duraciones con tanta precisión como era tecnológicamente posible, por lo que se eligió una definición del segundo como precisamente 9,192,631,770 de esos períodos.
La historia anterior de la definición de un segundo está ligeramente simplificada; consulte el artículo de Wikipedia sobre segundo para obtener una explicación más detallada.
Algún día habrá gente que use la base 37, y definirán un hutag como 37 décadas, y un mullir como una 37ava parte de una milésima de hora.
Medir un día solar medio no es tan fácil: solo hay cuatro ocasiones al año en las que un día solar real dura exactamente 24 horas y aun así, generalmente no son de medianoche a medianoche, o de mediodía a mediodía, o de amanecer a amanecer, o de anochecer a anochecer. Por lo tanto, lleva tiempo medir un día solar medio, durante el cual su duración puede cambiar realmente.
@PyRulez ¿Por qué alguien que cuenta en base 37 pensaría que las décadas y los milihours son interesantes? :-P
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