¿Por qué un reloj debe ser "preciso"?

Question

Después de leer que los relojes atómicos son más precisos que los relojes mecánicos ya que pierden un segundo solo en millones de años, me pregunto por qué es necesario que un reloj de referencia se preocupe por esto, si la definición del segundo en sí mismo es una función del número de ticks que hace el reloj.

¿Por qué no simplemente usamos un solo reloj mecánico simple en algún lugar con un resorte enrollado que lo haga tic-tac, y cada vez que hace un tic-tac, lo tratamos como si hubiera pasado un segundo?

(Suponiendo que este reloj estuviera transmitiendo su tiempo a través de servidores de NTP en Internet a todo el mundo)

Answer 1

¿Por qué es necesario que un reloj de referencia se preocupe por esto, si la definición del segundo en sí misma es una función del número de ticks que hace el reloj?

La preocupación es que otra persona (digamos un científico en Francia o China o Botswana) necesita poder construir un reloj que mida los segundos al mismo ritmo que el mío.

Si ambos tenemos relojes atómicos, podemos mantener nuestros relojes sincronizados dentro de microsegundos por año. Si tenemos relojes mecánicos, podrían ser diferentes entre sí en un segundo (o de todos modos algunos milisegundos) para el final de un año. Si estamos realizando mediciones muy exactas (comparando los tiempos de llegada de los rayos gamma de eventos astronómicos en diferentes partes de la Tierra, o simplemente usando un sistema de navegación GPS) entonces unos pocos milisegundos (o incluso microsegundos) pueden marcar la diferencia en nuestros resultados.

Answer 2

Para la mayor parte de la historia humana, teníamos un único reloj mecánico: la Tierra giratoria.

Bueno, en realidad dos relojes mecánicos. La velocidad de giro de la Tierra es una constante bastante buena, pero es difícil de medir directamente. Lo que es fácil de medir es el intervalo entre amaneceres, pero ese intervalo varía de vez en cuando. Cuando los amaneceres se alejan entre sí, tiende a hacer más calor, por lo que notar esto era útil para la agricultura. Eso se debe al segundo reloj mecánico: la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Sincronizar el reloj diario y el reloj anual era un problema tremendamente difícil: la diferencia entre un año tropical y un año de 365 días es pequeña en la duración de la vida humana. La solución fue el calendario gregoriano, que fue inventado en el siglo XVI pero no fue adoptado en todo el mundo hasta el siglo XX.

No importa la precisión si solo tienes un reloj. Es imposible preocuparse: no puedes probar la precisión de un solo reloj. Pero si tienes diez relojes, puedes preguntar si todos marcan la misma hora, o si todos se desvían unos de otros, o si ocho de ellos se mantienen juntos pero dos corren más lento.

Answer 3

Imaginemos que vivimos en la ciudad-estado ideal de Platón y yo soy el Rey Filósofo. Proclamo mi ciclo de sueño como el reloj. Una unidad de tiempo es el intervalo de tiempo entre dos instancias consecutivas de despertarme. Equipado con este reloj, te embarcas en la búsqueda de observar la naturaleza y entender sus patrones. El mundo se vería increíblemente confuso y no podrías notar ningún patrón discernible en su comportamiento. A veces dos amaneceres ocurrirían en un intervalo de tiempo y a veces ninguno, a veces te sentirías hambriento seis veces en un intervalo de tiempo y a veces solo una, a veces lograrías terminar una cierta cantidad de trabajo en un intervalo de tiempo mientras que otras veces te tomaría múltiples intervalos de tiempo terminar la misma cantidad de trabajo incluso si estás trabajando de la misma manera, etc.

Pronto te darías cuenta de que si en cambio utilizas el Sol como tu reloj y usas sus dos salidas consecutivas para definir el intervalo de tiempo, muchas cosas comenzarían a verse más sólidas, más predecibles. Verías que casi siempre sientes hambre tres veces durante un intervalo de tiempo, siempre terminas aproximadamente la misma cantidad de trabajo en cada intervalo de tiempo, etc.

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El punto es que un reloj debe ser un mecanismo que sea confiablemente periódico, idealmente, perfectamente periódico. Como puedes ver, esto es circular pero la circularidad es lo incorrecto en lo que enfocarse. La validez del esquema proviene del hecho de que, como ilustré en mi ejemplo anterior, existen respuestas incorrectas a lo que proclamas como periódico en que no serán útiles para encontrar patrones discernibles en el universo. Además, hasta cierto punto, puedes argumentar que tienes buenas razones para proclamar un sistema periódico incluso antes de especificar cómo medir el tiempo apelando a la simetría. Por ejemplo, puedes decir que la cantidad de tiempo que pasa durante el balanceo de izquierda a derecha de un péndulo simple debe ser igual a la cantidad de tiempo que pasa durante el balanceo de derecha a izquierda del mismo péndulo. Por supuesto, esta proclamación de periodicidad no será suficiente en un gran número de oscilaciones del péndulo. Te darías cuenta de esto de la misma manera en que notaste que mi patrón de sueño no era confiablemente periódico. Y seguirías encontrando un sistema incluso más confiablemente periódico.

Entonces, la búsqueda de encontrar relojes más y más precisos es la búsqueda de acercarse cada vez más a un sistema periódico ideal y esto es importante porque la utilidad del concepto de tiempo no es ni un centavo más que la solidez de la periodicidad del reloj que se utiliza para definir una unidad de tiempo.

Answer 4

si la definición del segundo en sí misma es una función del número de golpes que hace el reloj.

¿Por qué no simplemente usar un solo reloj mecánico simple en algún lugar con un resorte herido que hace que haga tic-tac, y cada vez que hace tic-tac, tratarlo como si hubiera transcurrido un segundo?

Aquí hay una idea equivocada. Los segundos no definen el tiempo ni los relojes definen el paso del tiempo. El universo define el paso del tiempo. Recuerde que el reloj se está utilizando para medir el tiempo. El reloj no define el tiempo. En otras palabras, estamos tratando de seguir "el reloj del universo" que si define el paso del tiempo. Nuestra definición del segundo es solo para cuantificar el tiempo.

Implícita en esta precisión es que cada ciclo del reloj es lo más idéntico posible de un momento a otro (o más bien, sigue el paso del tiempo del universo, donde la dilatación del tiempo se vuelve complicada). Eso es lo que realmente importa. No tanto perder un segundo cada millón de años. Eso es secundario.

Realmente, la precisión del reloj es más importante que la exactitud. Eso es lo más importante: cuán repetible es cada intervalo. La exactitud solo entra en juego cuando tienes un estándar al que tratas de aspirar, como la definición teórica de un segundo u otro estándar de tiempo, u otros relojes.

¿Por qué no simplemente usar un solo reloj mecánico simple en algún lugar con un resorte herido que hace que haga tic-tac, y cada vez que hace tic-tac, tratarlo como si hubiera transcurrido un segundo?

(Suponiendo que este reloj estuviera transmitiendo su tiempo a través de servidores ntp de internet a toda persona en el mundo)

Porque no se trata solo de asegurarse de que el horario de autobuses se ajuste correctamente para todos.

Otros han mencionado que ayuda cuando tienes múltiples relojes, pero incluso cuando solo tienes un reloj es importante porque si estás usando eso para medir fenómenos físicos, ese fenómeno físico ya se está ejecutando en el reloj del universo. Cuando estás usando un dispositivo de temporización, siempre hay "dos relojes" presentes, en cierto sentido.

Y cuanto más preciso sea un reloj, más finamente puedes subdividir los intervalos y seguir teniendo significado para medir eventos muy rápidos o diferencias de tiempo muy pequeñas entre dos eventos.

Answer 5

Tener un sistema de reloj central tiene muchas desventajas:

• la transmisión significa que la señal tarda tiempo, por lo que si necesito un reloj, siempre estará algo retrasado. Esto no se puede corregir con la precisión necesaria para muchas aplicaciones modernas
• si el reloj falla, ¿entonces qué? ¿Lo reemplazo por uno nuevo? Pero, ¿será lo suficientemente preciso? Porque si el nuevo reloj marca de manera diferente, todos mis cronometrajes estarán mal. Quizás mi ubicación GPS dependa de poder medir con precisión milisegundos. Cambiar esa definición cambiará las matemáticas. Por lo tanto, necesitas sincronizar relojes y asegurarte de que no cambien la definición de "un segundo" y eso es exactamente en lo que son buenos los relojes atómicos. Eso significa tener dos relojes atómicos que solo diferirán por una pequeña cantidad de tiempo después de x años: ¡Son extremadamente precisos!
• ¿qué pasa si no puedo recibir la señal (¿alguna vez usaste un teléfono celular?)? Entonces necesito mi propio reloj para los momentos en los que no recibo una señal y si no es lo suficientemente preciso, quizás mi aplicación falle
• realmente hay aplicaciones que necesitan medir fracciones extremadamente pequeñas de segundo. Por lo tanto, simplemente haciendo que cada segundo tenga una longitud aproximadamente igual no es suficiente. Pero no se puede transmitir a frecuencia arbitraria, ¿entonces cómo subdivido mi segundo lo suficiente? Puedo hacerlo con un reloj local, simplemente no puedo hacerlo con un reloj de radio...

Y ahora la mayor razón física:

• la forma en que el reloj marca depende del marco de referencia del reloj. Si pongo el reloj en un tren en movimiento, será más lento para todos aquellos que observan el tren (relatividad especial). Si lo muevo a la cima de una montaña, irá un poco más rápido (relatividad general). Esto significa que la definición del tiempo en sí mismo depende del marco de referencia y no existe un "tiempo absoluto". Por lo tanto, necesitamos elegir una definición que sea independiente del marco de referencia y usarla para medir el tiempo dentro de cada marco de referencia, por lo que NECESITAMOS tener varios relojes.