¿La definición de la unidad SI "segundo" requiere que se mida la posible perturbación de las normas de frecuencia primaria?

Question

La definición de la unidad del SI de la "segunda" se expresa como

El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133 del átomo.

con el agregado explícitamente nota que

Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de 0 K. Esta nota fue la intención de dejar claro que la definición de SI el segundo se basa en un átomo de cesio, sin inmutarse por la radiación del cuerpo negro, es decir, en un ambiente cuya temperatura termodinámica es de 0 K. Las frecuencias de todos los patrones de frecuencias por lo tanto debe ser corregido para el cambio debido a la radiación en el medio ambiente [...]

En referencia a un átomo de cesio en su "estado fundamental", esta definición se refieren a los átomos de cesio que están claramente y exactamente imperturbable, ya sea de cuerpo negro (ambiente) de la radiación o debido a cualquier conocido o desconocido de la perturbación?

Si es así, ¿hay algún requisito para determinar (y posiblemente corregir) la perturbación, o "cambio", de cualquier y todos los principales de la frecuencia de las normas, además de que el "cambio debido a la radiación en el medio ambiente"?

En particular, ¿hay algún requisito para medir si la duración de 9 192 631 770 períodos de diferente principal de la frecuencia de las normas y/o de la misma primaria de frecuencia estándar en los diferentes ensayos, había sido y seguía siendo igual para cada uno de los otros, por (supuestamente) sin ambigüedades medios (como el "ideal de los relojes", descrito en el MTW §16.4) ?

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EDITAR
En respuesta a los comentarios, los siguientes son extractos de dos secciones pertinentes de MTW, "Gravitación":

Cuadro 16.4: Ideal Varillas y Relojes Construido a partir Geodésico Mundial de Líneas; Basado en Marzke y Wheeler (1964)

Cada geodésica reloj está construido y calibrado de la siguiente manera:

(1) Un timelike geodésica $\mathcal{ AC }$ (camino de la caida libre de partículas) se pasa a través de $\mathcal{ A }$.

(2) Una vecina mundo en línea, en todas partes, en paralelo a $\mathcal{ AC }$ [...] es construido por el método de Schild la escalera (Cuadro 10.2). [...]

(3) los rayos de Luz (null geodesics) rebote de ida y vuelta entre estos un mundo paralelo a las líneas; cada viaje redondo constituye un "tick". [...]

(4) El buen lapso de tiempo, $\tau_0$, entre las garrapatas está relacionado con el [ ... ] $s^2[~\mathcal{ AB }~] = -(N_1~\tau_0)~(N_2~\tau_0)$ donde $N_1$ $N_2$ el número de pasos entre los eventos que se muestra en el diagrama.

$$~$$ $$\textbf{ <Insert MathJax source code for generating an appropriate diagram here>} .$$

El espacio-tiempo está lleno de tal geodésico de relojes. Aquellos que pasan a través de $\mathcal{ A }$ son calibrados como arriba contra el estándar intervalo [...] y se utilizan posteriormente para calibrar cualquier otra relojes cumplen.

Cualquier intervalo [... $s^2[~\mathcal{ PQ }~]$ ... con el evento $\mathcal{ P }$] a lo largo de la worldline de una geodésica reloj puede medir por el mismo método [...]

Para lograr una precisión de medición de la buena a una parte en $N$ donde $N$ es un número grande, tomar dos precauciones: [...]

El M-W de la construcción hace que no cabe recurso alguno para las barras y los relojes de la constitución. [...]

Cuadro 10.2: Desde Geodesics para Transporte Paralelo a la Diferenciación Covariante a Geodesics ...

A. Transporte de cualquier suficientemente corto tramo de la curva de $\mathcal{ AX }$ [...] paralelo a sí mismo a lo largo de la curva de $\mathcal{ AB }$ a punto de $\mathcal{ B }$ como sigue:

(1) Tomar algún punto de $\mathcal{ M }$ a lo largo de $\mathcal{ AB }$ cerca de $\mathcal{ A }$. Tomar geodésica $\mathcal{ XM }$ a través de$\mathcal{ X }$$\mathcal{ M }$.
[...] definir un único punto de $\mathcal{ N }$ [en línea geodésica $\mathcal{ XM }$] por el estado [...] "iguales períodos de tiempo en $\mathcal{ XN }$$\mathcal{ NM }$".

[...]

(4) Repetir el proceso una y otra [...] Llamar a este procedimiento "Schild la Escalera" de Schild (1970) de similar construcción [...].

Answer 1

¿hay algún requisito para determinar (y posiblemente corregir) la perturbación, o "shift", de cualquier y todos los principales de la frecuencia de las normas, además de que el "cambio debido a la radiación en el medio ambiente"?

Sí. Estos son los llamados "errores sistemáticos" y ellos están en el orden del día prácticamente todo el día, cada día, en los laboratorios de metrología que implementan patrones de frecuencias. Esto incluye el efecto de la radiación térmica, llamada radiación de cuerpo negro de turno, así como un número de otros efectos que pueden perturbar los átomos. Entre estos se Zeeman cambios de los campos magnéticos dispersos en el laboratorio, pero también Stark turnos, cambios de luz, y un montón de aplicación de los efectos específicos. Si estás atrapando sus átomos en el lugar, por ejemplo, debe tener en cuenta cualquier perturbación que esto podría hacer que el estado del suelo; si usted está tirando de ellos hacia arriba en una fuente de reloj, entonces usted necesita para preocuparse por cosas como el corrimiento al rojo gravitacional entre la parte inferior y la parte superior de la fuente.

La definición de SI el segundo es para el cesio en su verdadero ideal, el estado del suelo, sin perturbaciones de ningún tipo. Esta es, obviamente, una idealización, y cualquier aplicación simplemente se necesita para estimar la precisión con la que se ajusta a la idealización, informe, y seguir adelante.

Para citar un terrible, terrible, el hombre, al intentar construir una frecuencia estándar tiene dos tipos de perturbaciones: incógnitas conocidas y las incógnitas desconocidas.

• Con algunas perturbaciones, usted sabe que existe, y de hacer su mejor esfuerzo para minimizar ellos y para la estimación de sus valores (que siempre será distinto de cero). Cualquier grave metrológica de papel va a tener un presupuesto de error en el que se informe de todas las diferentes perturbaciones significativas en el experimento y las estimaciones sobre su magnitud.

  Como ejemplo, aquí es la de arXiv:1505.03207, y se pueden encontrar más ejemplos por ejemplo, a través de este arXiv de búsqueda.

  

  La radiación de cuerpo negro cambio a menudo se hace una aparición en estos presupuestos, y es uno de los más difíciles de estimar y reducir. Es generalmente muy pequeña, lo que significa que fue inundado por el resto de la sistemática del desarrollo de el reloj atómico en la década del 50 hasta la tecnología de descender a todos los otros sistemática, en la década de los 90, hasta el punto donde la radiación de cuerpo negro de turno se convirtió en una consideración importante.

  Sin embargo, como se puede ver, es sólo un factor entre muchos que necesitan ser estimado y controlado.

• Una vez que usted ha hecho su mejor esfuerzo para identificar todos los posibles efectos que podrían perturbar su estado fundamental, o afectar a la precisión de sus resultados, en cierta manera, usted todavía no sabe si hay otros efectos que usted podría haber perdido. Por desgracia, por definición, las perturbaciones que faltaste son imposibles de cuantificar - si pudiera, estaría en las incógnitas conocidas categoría.

  Realmente no hay manera de lidiar con esto dentro de un único experimento. La posibilidad de que tales efectos pueden ser mitigados mediante la producción de muchas implementaciones diferentes que se basan en diferentes principios físicos y son tan diferentes el uno del otro como sea posible. Si construimos dos relojes con bajos conocido sistemática utilizando diferentes esquemas y garrapatas en el paso dentro de la conocida incertidumbres, esto aumenta nuestra confianza en que de hecho hemos identificado todos los relevantes sistemática, al menos en ese nivel de precisión.

  Sin embargo, la posibilidad de errores sistemáticos que aún no estamos conscientes de que se toma muy en serio por los metrólogos. Cada laboratorio como una unidad sólo puede implementar un reloj en un tiempo, pero el campo como un todo, hace su mejor esfuerzo para asegurarse de que tenemos muchos enfoques diferentes que pueden validar cada uno de los otros valores y las incertidumbres.

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Anexo

En su (grosero y abrasivos) insistencia he echado un vistazo a MTW ideal relojes, como se describe en el cuadro 16.4. (Tome esto como un buen ejemplo de cómo la "proporcionar en su totalidad" no es difícil, requiere de un mínimo de habilidades técnicas, y permite a todos los involucrados para saber de qué se está hablando.)

Es completamente claro para mí cómo proponer la implementación de este, basado como está en caída libre espejos que de alguna manera están destinados a mantener una alineación perfecta a pesar de que no tienen ninguna relación entre sí. Hay puntos más finos, tales como la presión de la radiación en los espejos y el ruido de disparo en el láser (ambos de los cuales usted debe entender completamente antes de intentar responder), pero en pocas palabras, MTW ideal relojes son sólo eso: una idealización.

Me quedo con lo que he dicho:

No hay manera de comparar un reloj de salida con lo que se dio ayer, y, definitivamente, no sin supuestos.

Cualquier reloj a construir serán hechas de átomos y que permanecerá en un no-en picada worldline en la superficie de la Tierra (a menos que usted envíe a órbita, por supuesto). Muéstrame un real, instalación física que se pueda comparar la frecuencia de un oscilador ahora con su frecuencia de ayer, y yo te mostraré las hipótesis que se apoya en la.

Tan lejos como MTW ideal en cuanto a relojes se refiere, los supuestos son esencialmente temporales a la constancia de la velocidad de la luz, pero esto es porque MTW redefinir totalmente la unidad básica de tiempo.

Supongamos que usted podría implementar un MTW reloj: lanzamiento en órbita dos espejos y un reloj de cesio. La posición de los espejos con una longitud de $L$ aparte y se puso en una caída libre de la órbita, con un rayo de luz rebotando entre ellos. Por una feliz coincidencia, usted puede optar $L=\tfrac12 c/9 192 631 770\:\mathrm{Hz}\approx 18\:\mathrm{cm}$ como una longitud conveniente en que una cavidad de ida corresponderá a uno de Rabi oscilaciones de los átomos de cesio. La luz y la atómica de los osciladores por lo tanto debe ser completamente en el paso.

Suponga, además, que, por alguna razón, después de un cierto número de órbitas (probablemente muy grande) de la luz en la cavidad ya no está en el paso con los átomos de cesio, y no $n$ viajes de ida y vuelta para cada $n'\neq n$ cesio oscilaciones. Se puede concluir que la frecuencia estándar ha cambiado?* Resulta que esta es una mala definición de la pregunta. ¿Cómo se puede distinguir a esa conclusión (i) a partir de las interpretaciones alternativas que (ii) la distancia entre los espejos cambiado, o (iii) la velocidad de la luz ¿?

Para decidir si (ii) es verdadera, usted puede acompañar a su instalación por una regla (es decir, un gobernador actual de átomos) que puede medir la distancia entre los dos espejos. Hay dos posibles resultados: la distancia de cualquiera de los cambios o no. Si la distancia cambia, ¿a la conclusión de que el espacio se expandió? O que los átomos la regla contratado? Bien es perfectamente válida la explicación, y la única diferencia entre las dos es la que define "longitud".

Si la distancia entre los espejos, como medido por la regla, no cambia, entonces usted está exactamente en la instalación discutido aquí. La velocidad de la luz, como se mide en unidades atómicas, ha cambiado. O, la mínima unidad de tiempo (como un geométrica longitud en el espacio-tiempo) cambiado. Usted está tratando de medir el cambio de una dimensionful constante, y esto es imposible sin supuestos externos: la constancia de la hora atómica para la primera, y la constancia de la velocidad de la luz para el segundo. Ambas interpretaciones son indistinguibles, ni siquiera en principio.

Sin embargo, en la práctica, la conclusión a extraer es en el hecho de que la velocidad de la luz ha cambiado. La razón de esto es que nosotros los seres humanos, y todo lo que nos rodea, están hechas de átomos, y por lo tanto nos basamos en (fijo) múltiplos de la atómica de longitud y operamos en (fijo) múltiplos de la escala de tiempo atómico. Si la unidad atómica de tiempo se expande por dos, no podemos aviso, como nuestros cerebros y los relojes se reduzca la velocidad para que coincida. De hecho, el único efecto observable es que la luz que ahora cubre el doble de la distancia en la misma cantidad de tiempo. Tan lejos como los seres humanos se refiere, es la luz que se aceleró.

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^{* Tenga en cuenta que estoy dejando de error de medición fuera de esta discusión. Si realmente se trató de implementar esto, se debe tener claro cual de los dos componentes - la óptica del reloj y el mágico juego de picada perpetuamente alineado a los espejos - es más susceptible al error experimental.}

Answer 2

No sé si estoy en lo correcto, pero aquí es un intento de estimación de un efecto que podría ser relevante. Si un 133Cs átomo de masa $m$ está en equilibrio térmico con la radiación de cuerpo negro a la temperatura de $T$, entonces se tiene un promedio de la energía cinética $(1/2)mv^2=(3/2)kT$. Esto provocará desplazamientos Doppler. La longitudinal de desplazamiento Doppler cancela en el promedio, pero el diámetro transversal del efecto Doppler, que es un factor de $\gamma$, no. El efecto promedio es $\gamma-1=3kT/2mc^2$. Supongo que el cesio tiene que ser un gas, por lo que la mínima temperatura real sería 944 K. Poner esto en, I se $\gamma-1\sim 10^{-12}$. Parece que este por debajo de la $\sim10^{-10}$ precisión implícita por el número de sig higos en la norma, pero tal vez se anticipa que las futuras mejoras en la tecnología sería relevante.

Answer 3

¿hay algún requisito para medir si la duración de 9 192 631 770 períodos de diferente principal de la frecuencia de las normas y/o de la misma primaria de frecuencia estándar en los diferentes ensayos, había sido y seguía siendo igual a la otra, por (supuestamente) sin ambigüedades medios (como el "ideal de los relojes", descrito en el MTW §16.4) ?

No hay ninguna mención expresa de tal requisito, que yo sepa.

Sin embargo, si algunos inequívoca medio de la comparación de las duraciones (tales como el "ideal de los relojes", descrito en el MTW §16.4) fueron tomadas en consideración, a continuación, la comparación de la duración de los períodos de oscilación permite⁽¹⁾ a la conclusión de

• si una instancia concreta de un oscilador (tales como "principal de la frecuencia estándar") había sido constantemente "perturbado" (incluso de haber sido constantemente "de la onu-perturbado"), o de forma variable perturbado; de lo esperado o inesperado "razones", y

• si o no cualquiera de los dos dados principal de la frecuencia de las normas habían sido igualmente perturbado (incluso de haber sido constantemente "de la onu-perturbado"), o no; de lo esperado o inesperado "razones".

Consideraciones relacionadas están muy bien presentados en respuesta a las cuestiones planteadas por esta respuesta, que había sido publicado anteriormente, de que las siguientes citas fueron tomadas de:

cómo [...] para implementar este

No hay ningún requisito estricto para implementar realmente un "ideal reloj", de acuerdo a MTW de la descripción; pero simplemente para juzgar y cuantificar (o incluso sólo para estimar la relación entre el dado de instalación de los participantes difiere de haber constituido un "ideal reloj", para ser "corregido" como adecuado.

(Del mismo modo que no hay requisito estricto para aplicar efectivamente los "átomos de cesio, sin inmutarse por la radiación del cuerpo negro"; pero el requisito presenta un definitivo ideal en relación a que el principal dada la frecuencia de las normas debe ser "corregido".)

Todavía se puede preguntar qué tipo de datos observacionales pueden ser la base de una cuantificación en todo⁽²⁾. Mirando la ilustración de MTW Cuadro 16.4 me gustaría pensar que nada de la (posible) aparición (o desaparición) de "patrones de interferencia" que implica la instalación pertinente a los mandantes.

supuestos externos [...] Supongamos que usted podría implementar un MTW reloj: lanzamiento en órbita dos espejos y un reloj de cesio. [...] La luz y la atómica de los osciladores por lo tanto debe ser completamente en el paso.

(Para simplificar la discusión: digamos que este es encontrado en una "primera fase de instalación de al menos $n'$ cesio oscilaciones.)

Suponga, además, que, por alguna razón, después de un cierto número de órbitas (probablemente muy grande) de la luz en la cavidad ya no está en el paso con los átomos de cesio, y no $n$ viajes de ida y vuelta para cada $n' \ne n$ cesio oscilaciones.

Primero en la nota relativa a la "órbitas" es que la MTW receta (como se cita en el extracto), implica ciertos necesario "precauciones", o (posiblemente) "correcciones". Si $n$ representa el correspondiente "preciso", y, en consecuencia, $n' \ne n$ cesio oscilaciones fueron encontrados durante la "etapa de prueba", entonces:
la media de la frecuencia de la oscilación de la fuente de cesio atómica osciladores había cambiado en comparación a la "fase de instalación"; había sido "perturbado" de manera diferente en la "etapa de prueba", en comparación a la "fase de instalación".

¿Cómo se puede distinguir a esa conclusión (i) a partir de las interpretaciones alternativas que (ii) la distancia entre los espejos cambiado,

Ciertamente, el (relevante, "prudente" convenientemente o "corregido") marque la duración de la órbita MTW reloj se mantuvo constante; como una cuestión de definición.

Por supuesto, la garrapata duración(s) (o "ping duración(s)", o "la señal de ida y vuelta duración(s)"), como "corregido", o "sin corregir" ("raw"), puede ser tomado como medidas de "separación espacial" entre pertinentes de la instalación de los mandantes;
normalmente (para la distinción formal de todo tipo de otras duraciones) con algunos fijos simbólico distinto de cero prefijo conectados, tales como "$c_0$", o "$c_0/2$".

o (iii) la velocidad de la luz ¿?

Sin duda, es absurdo que un mero y supuestamente fijo (no-cero) símbolo como "$c_0$" debería haber cambiado de "configuración de la fase" a "etapa de prueba"; en todos, y en especial por un número real valor "$n / n' \ne 1$".

usted puede acompañar a su instalación por una regla (es decir, un gobernador actual de átomos)

Pero relevante es, sin duda no cualquier actual gobernante hechos de átomos, pero sólo en que tales reglas hechas de átomos para que la "separación espacial entre sus dos extremos" (o "entre dos importantes marcas") que se mantuvo igual a una significativamente mejor proporción que el número real de valor "$n / n' \ne 1$".
Entonces, ¿cómo determinar cuál de todos o, incluso, de todo lo imaginable gobernantes de cumplir con este requisito? (SI el "metro" de la definición debe dar una valiosa pista.)

Las definiciones (idealizada de pensamiento experimental descripciones) de cómo medir la "duración" y "separación espacial" son, por supuesto, humanos convenciones.
Pero no son muy explícitas y útiles orientaciones en el que de todas las convenciones de la copa, a saber, la afirmación de Einstein:

Todos nuestros bien fundamentados, el espacio-tiempo proposiciones cantidad para la determinación del espacio-tiempo coincidencias {como} encuentros entre dos o más puntos materiales.;

en cumplimiento de Bohr del requisito:
{W}e debe emplear el lenguaje común {...} para comunicar lo que hemos hecho y lo que hemos encontrado.

en la práctica [...] nosotros los seres humanos, y todo lo que nos rodea, están hechas de átomos, y por lo tanto [...]

... por lo tanto lo desea, puede determinar su posible "perturbaciones", prueba por prueba, incluso si no esperábamos de ellos, e incluso, si no se ha sujetado a sus posibles "razones".

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Notas (añade después de la primera publicación):

^{1: Utilizando la noción de "ideal relojes", como se describe en MTW §16.4, una definición concreta de una unidad de duración (también llamada aquí un "artefacto segundo") podría ser la siguiente:}

^{"El artefacto segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133 átomos de la NIST primaria de frecuencia estándar, se refiere a estar en reposo, a una temperatura de 0 K, a partir de la hora UTC fecha de 1 de enero de 2000, a las 00:00:00 .
Esta definición se refiere específicamente al artefacto segunda se distribuye en referencia a la Marzke-Wheeler procedimiento."}

^{2: Que es, sólo en la medida en que se considera poco práctico para recopilar los datos de observación que es explícitamente necesarios para llevar a cabo la Marzke-Wheeler procedimiento, y por lo tanto para identificar una adecuada red densa de "ideal relojes"; incluyendo explícita coincidencia determinaciones como en el evento tick evento anterior $\mathcal{ C }$ en la primera ilustración de MTW cuadro 16.4.}