¿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

El tiempo no fluye, ni se percibe, de acuerdo con el tic tac de un reloj. Si hierves un huevo mientras miras un reloj que va lento, te lo vas a pasar de cocción, independientemente de que el reloj diga que lo cocinaste exactamente por el tiempo previsto. "Hierve un huevo por 10 minutos" no es una instrucción útil si la duración real de 10 minutos no es constante.

Un reloj mecánico de cuerda no es muy preciso y puede producir "segundos" de diferentes duraciones dependiendo de factores ambientales como la temperatura, la humedad, etc. Si tu reloj no tiene una tasa de tic constante, un huevo cocido por "10 minutos" puede estar pasado o crudo, ya que esos mismos "10 minutos" pueden representar una cantidad variable de tiempo.

Necesitamos saber que 10 minutos medidos hoy son iguales a 10 minutos mañana. Un reloj de referencia mecánico podría ralentizarse con el tiempo, lo que haría que procesos de duración constante parezcan llevar menos tiempo - en 100 años, podrías descubrir que un huevo perfectamente cocido solo tarda 5 "minutos" según tu reloj ralentizado, cuando en realidad es la misma duración exacta.

Answer 2

Estoy añadiendo esta respuesta porque siento que la otra respuesta no cubre algunas partes principales que explican por qué estamos destinados a crear relojes más y más precisos: cálculos de distancia más precisos y redefinir el segundo en sí mismo.

La respuesta a tu pregunta es la relatividad, en el sentido de que, en tu ejemplo, un reloj solo puede ser preciso en relación a otro.

Los relojes atómicos son tan precisos que perderán un segundo aproximadamente cada 100 millones de años; para referencia, el reloj de cuarzo promedio perderá un segundo cada par de años. Por otro lado, el reloj de red de trampas ópticas de Ye perderá un segundo cada 15 mil millones de años, convirtiéndolo en el reloj más preciso del mundo.

https://www.labroots.com/trending/chemistry-and-physics/21278/world-s-accurate-clock-2

Dado que no existe un tiempo absoluto, tampoco existe un reloj absolutamente preciso. Resulta que vivimos en un universo que es fundamentalmente cuántico y probabilístico. Todos los relojes "perderán" algo de tiempo (un segundo, por ejemplo) eventualmente, la pregunta es cuándo. Pero para saber que el reloj ha "perdido" un segundo, necesitas compararlo con otro.

El punto de todo esto es que el reloj puede repetir los impulsos (procesos cuánticos) con intervalos de tiempo iguales, es decir, los impulsos son iguales. Pero, dado que estamos hablando de procesos cuánticos, un impulso será de longitud diferente a otro impulso (y estas diferencias eventualmente se sumarán a un intervalo medible, como un segundo).

La precisión de la sincronización de un reloj atómico es importante porque mientras menor sea el error en una medida de tiempo, menor será el error en la distancia obtenida al multiplicar el tiempo por la velocidad de la luz. A medida que los ingenieros fabrican relojes más precisos, están comenzando a desarrollar diferentes tipos basados en itrio y estroncio que miden el tiempo a {\ displaystyle 10 ^ {-18}}{\ displaystyle 10 ^ {-18}} segundos. Es de esperar que durante los próximos 10 años estos relojes ópticos conduzcan a una redefinición del segundo, posiblemente con la constante de Rydberg.

https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock

Entonces, como puedes ver, existen dos razones principales por las que estamos tratando de alcanzar más precisión:

1. mientras menor sea el error en la medida del tiempo, menor será el error en los cálculos de distancia (debido a la absoluta velocidad de la luz en los cálculos utilizando, por ejemplo, ondas EM)

2. redefinir el segundo en sí mismo

Pero no existe una precisión absoluta, siempre podremos crear relojes más y más precisos, y la respuesta a tu pregunta es que esta precisión siempre es relativa.

Answer 3

La mayoría de las respuestas hablan sobre la importancia de poder comparar relojes, lo cual es importante, pero no es el tema fundamental. El punto de tener un reloj preciso es tener una medida precisa y universal para el flujo del tiempo.

Si mides un tiempo de 9.58 segundos para que Usain Bolt corra 100 metros en 2009 y luego mides 9.63 segundos en 2012, ¿significa que se volvió más lento o significa que las propiedades mecánicas de tu mediocre reloj de cuerda cambiaron?

Si mides el periodo de un púlsar como 1.337 s en 1967 y luego mides un periodo diferente en 2022, ¿el púlsar cambió o cambió tu reloj?

Supongamos que insistes en usar tu reloj de cuerda mediocre, el cual está ubicado digamos, en Greenwich, Inglaterra, y has encontrado una manera de transmitir sus ticks por todo el mundo a velocidades infinitas (incluso ignoraré la complicación de la velocidad finita de la luz). Supongamos incluso que tu reloj de cuerda es bastante consistente, pero su periodo varía ligeramente con la temperatura. Puedes descubrir que el desempeño del Sr. Bolt en Berlín o Beijing depende del clima actual en Greenwich. Si mides el periodo de un púlsar en febrero de 2022 y luego lo mides de nuevo en julio de 2022, encontrarás un ligero cambio en el periodo debido a las diferencias de temperatura en Greenwich entre esos momentos. Así que al comparar mediciones de púlsares, órbitas lunares, circuitos LC y corredores olímpicos, tendrás que consultar la tabla de temperaturas diarias en Greenwich, Inglaterra.

Todas tus ecuaciones para la mecánica celestial y la electrónica requerirán términos que tengan en cuenta el clima local en Greenwich en el momento en que se hizo la medición. Esto haría que cualquier cálculo que de alguna manera involucre el tiempo sea mucho más complicado.

Puedes decir, WaterMolecule, la teoría de la relatividad dice que todas las mediciones de tiempo son relativas al observador, por lo tanto puedo usar cualquier reloj viejo. Pero eso no es lo que dice la relatividad. Mientras una nave espacial alienígena que pasa cerca de la Tierra a la mitad de la velocidad de la luz mediría un tiempo más largo para el sprint récord de Usain Bolt (11.06 s), asumiendo que tienen un reloj preciso, podrían calcular que el tiempo real en el estadio en reposo es de 9.58 segundos. La relatividad no obvia la necesidad de un reloj preciso.

El tiempo ha surgido como un parámetro físico fundamental en la teoría y en los experimentos porque péndulos con las mismas longitudes y circuitos LC con los mismos componentes dan periodos similares donde sea que se realicen los experimentos y no dependen de las condiciones en algún lugar lejano. Si el tiempo estuviera sujeto a efectos aleatorios debido a condiciones locales en Greenwich, Inglaterra o en la superficie de Betelgeuse, no lo usaríamos como un parámetro fundamental. Inventamos el concepto de tiempo específicamente porque permite experimentos repetibles. Si la temperatura local en la superficie de Betelgeuse definiera el flujo del tiempo, la física nunca se habría inventado y tendríamos poca capacidad para entender el mundo que nos rodea.

Answer 4

Una aplicación para la necesidad de una precisa medición del tiempo sería evaluar si las constantes fundamentales realmente son constantes. Ver por ejemplo este artículo, capítulo 6:
https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/fachabteilungen/abteilung_4/4.4_zeit_und_frequenz/pdf/2010-Peik_NuclPhysB_Fundamentals_constants.pdf

La medición exacta del tiempo también permite la exacta medición de las unidades del SI que se derivan de la unidad de segundo. Ejemplos son el metro, el kilogramo y el kelvin. Su precisión, por así decirlo, depende (entre otros valores) de la precisión del segundo.

Answer 5

Podrías usar un péndulo estándar, cuyo periodo variable con el tiempo es conocido. Sin embargo sería difícil reproducir este péndulo estándar exacto en cada ubicación y realizar experimentos con él. Al igual que cada reproducción de un metro estándar variaría en cierta medida. La mayoría de los relojes varían en sus periodos. Por eso el reloj de cesio se ha convertido en el estándar. Varía lo menos posible (solo un segundo cada millón de años, donde ese millón de años es medido por un reloj ideal, inexistente y perfecto en la mente; uno con periodo constante).

De hecho, el tic tac de este reloj de cesio es el que se utiliza para emitir la hora "correcta" en los medios de comunicación. Podrías usar el reloj de péndulo de la abuela, pero en la sociedad moderna esto podría causar dificultades.
Por ejemplo, si un proceso técnico requiriera una precisión exacta en el tiempo, el péndulo de la abuela podría estar causando fallos en el sistema, explosiones, accidentes de aviones e incluso una tercera guerra mundial. Si la abuela hubiera sabido eso, ¡seguro que no lo habría donado!