El segundo (símbolo: s ) es una unidad de tiempo , históricamente definida como 1 ⁄ 86400 de un día – este factor deriva de la división del día primero en 24 horas , luego en 60 minutos y finalmente en 60 segundos cada uno (24 × 60 × 60 = 86400).
La definición actual y formal en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es más precisa:
El segundo [...] se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, Δ ν Cs , la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133 , como 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz , que es igual a s −1 . [1]
Esta definición actual fue adoptada en 1967 cuando se hizo factible definir el segundo basándose en propiedades fundamentales de la naturaleza con relojes de cesio . [2] Debido a que la velocidad de rotación de la Tierra varía y se está desacelerando ligeramente , se agrega un segundo intercalar a intervalos irregulares al tiempo civil [nb 1] para mantener los relojes sincronizados con la rotación de la Tierra.
"Minuto" viene del latín pars minuta prima , que significa "primera parte pequeña", es decir, primera división de la hora, dividiéndose en sesenta, y "segundo" viene de pars minuta secunda , "segunda parte pequeña", dividiéndose nuevamente en sesenta. [3]
Los relojes analógicos suelen tener sesenta marcas en la esfera que representan los segundos (y los minutos) y un "segundero" que marca el paso del tiempo en segundos. Los relojes digitales suelen tener un contador de segundos de dos dígitos.
Los prefijos del SI se combinan frecuentemente con la palabra segundo para denotar subdivisiones del segundo: milisegundos (milésimas), microsegundos (millonésimas), nanosegundos (milmillonésimas) y, a veces, unidades más pequeñas de un segundo. Los múltiplos de segundos generalmente se cuentan en horas y minutos. Aunque los prefijos del SI también se pueden usar para formar múltiplos del segundo, como los kilosegundos (miles de segundos), dichas unidades rara vez se usan en la práctica. Una experiencia cotidiana con pequeñas fracciones de segundo es un microprocesador de 1 gigahercio que tiene un tiempo de ciclo de 1 nanosegundo. Las velocidades de obturación de la cámara a menudo se expresan en fracciones de segundo, como 1 ⁄ 30 segundos o 1 ⁄ 1000 segundos.
Las divisiones sexagesimales del día en un calendario basado en la observación astronómica existen desde el tercer milenio a. C., aunque no eran segundos como los conocemos hoy. [4] En aquel entonces no se podían medir pequeñas divisiones de tiempo, por lo que dichas divisiones se derivaban matemáticamente. Los primeros cronometradores que podían contar los segundos con precisión fueron los relojes de péndulo inventados en el siglo XVII. A partir de la década de 1950, los relojes atómicos se convirtieron en mejores cronometradores que la rotación de la Tierra y siguen marcando la pauta en la actualidad.
Un reloj mecánico, que no depende de la medición de la posición de rotación relativa de la Tierra, mantiene un tiempo uniforme, llamado tiempo medio , con la precisión que le es intrínseca. Esto significa que cada segundo, minuto y cada otra división de tiempo contada por el reloj tiene la misma duración que cualquier otra división de tiempo idéntica. Pero un reloj de sol , que mide la posición relativa del Sol en el cielo, llamada tiempo aparente , no mantiene un tiempo uniforme. El tiempo que mantiene un reloj de sol varía según la época del año, lo que significa que los segundos, minutos y cada otra división de tiempo tienen una duración diferente en diferentes épocas del año. La hora del día medida con el tiempo medio en comparación con el tiempo aparente puede diferir hasta en 15 minutos, pero un solo día difiere del siguiente solo en una pequeña cantidad; 15 minutos es una diferencia acumulativa a lo largo de una parte del año. El efecto se debe principalmente a la oblicuidad del eje de la Tierra con respecto a su órbita alrededor del Sol.
La diferencia entre el tiempo solar aparente y el tiempo medio fue reconocida por los astrónomos desde la antigüedad, pero antes de la invención de los relojes mecánicos precisos a mediados del siglo XVII, los relojes de sol eran los únicos relojes fiables y el tiempo solar aparente era el único estándar generalmente aceptado.
Las fracciones de segundo se expresan normalmente en notación decimal, por ejemplo, 2,01 segundos o dos segundos y una centésima. Los múltiplos de segundos se expresan normalmente como minutos y segundos, u horas, minutos y segundos de tiempo de reloj, separados por dos puntos, como 11:23:24 o 45:23 (la última notación puede dar lugar a ambigüedad, porque se utiliza la misma notación para denotar horas y minutos). Rara vez tiene sentido expresar períodos de tiempo más largos, como horas o días, en segundos, porque son números demasiado grandes. Para la unidad métrica del segundo, existen prefijos decimales que representan desde 10 −30 hasta 10 30 segundos.
Algunas unidades de tiempo comunes en segundos son: un minuto son 60 segundos; una hora son 3.600 segundos; un día son 86.400 segundos; una semana son 604.800 segundos; un año (excepto los años bisiestos ) son 31.536.000 segundos; y un siglo ( gregoriano ) tiene una media de 3.155.695.200 segundos; con todo lo anterior excluyendo cualquier posible segundo bisiesto . En astronomía, un año juliano tiene exactamente 31.557.600 segundos.
Algunos eventos comunes en segundos son: una piedra cae aproximadamente 4,9 metros desde el reposo en un segundo; un péndulo de longitud de aproximadamente un metro tiene una oscilación de un segundo, por lo que los relojes de péndulo tienen péndulos de aproximadamente un metro de largo; los velocistas humanos más rápidos corren 10 metros en un segundo; una ola del océano en aguas profundas viaja aproximadamente 23 metros en un segundo; el sonido viaja aproximadamente 343 metros en un segundo en el aire; la luz tarda 1,3 segundos en llegar a la Tierra desde la superficie de la Luna, una distancia de 384.400 kilómetros.
Un segundo es parte directa de otras unidades, como la frecuencia medida en hercios ( segundos inversos o s −1 ), la velocidad en metros por segundo y la aceleración en metros por segundo al cuadrado. La unidad del sistema métrico becquerel , una medida de desintegración radiactiva, se mide en segundos inversos y las potencias más altas del segundo están involucradas en derivadas de aceleración como el tirón . Aunque muchas unidades derivadas para cosas cotidianas se informan en términos de unidades de tiempo más grandes, no segundos, en última instancia se definen en términos del segundo del SI; esto incluye el tiempo expresado en horas y minutos, la velocidad de un automóvil en kilómetros por hora o millas por hora, los kilovatios hora de uso de electricidad y la velocidad de un plato giratorio en rotaciones por minuto.
Además, la mayoría de las demás unidades básicas del SI se definen por su relación con el segundo: el metro se define fijando la velocidad de la luz (en el vacío) en 299 792 458 m/s, exactamente; las definiciones de las unidades básicas del SI kilogramo , amperio , kelvin y candela también dependen del segundo. La única unidad básica cuya definición no depende del segundo es el mol , y solo dos de las 22 unidades derivadas nombradas, radián y estereorradián , tampoco dependen del segundo.
Un conjunto de relojes atómicos repartidos por todo el mundo marcan el tiempo por consenso: los relojes "votan" la hora correcta y todos los relojes que votan se orientan para que coincidan con el consenso, que se denomina Tiempo Atómico Internacional (TAI). El TAI "marca" los segundos atómicos. [5] : 207–218
La hora civil se define de acuerdo con la rotación de la Tierra. El estándar internacional para el cronometraje es el Tiempo Universal Coordinado (UTC). Esta escala de tiempo "marca" los mismos segundos atómicos que el TAI, pero inserta u omite segundos intercalares según sea necesario para corregir las variaciones en la velocidad de rotación de la Tierra. [5] : 16–17, 207
Una escala de tiempo en la que los segundos no son exactamente iguales a los segundos atómicos es UT1, una forma de tiempo universal . UT1 se define por la rotación de la Tierra con respecto al Sol, y no contiene ningún segundo intercalar. [5] : 68, 232 UT1 siempre difiere de UTC en menos de un segundo.
Aunque todavía no forman parte de ningún estándar de cronometraje, ya existen relojes de red óptica con frecuencias en el espectro de luz visible y son los cronometradores más precisos de todos. Un reloj de estroncio con una frecuencia de 430 THz , en el rango rojo de la luz visible, durante la década de 2010 mantuvo el récord de precisión: gana o pierde menos de un segundo en 15 mil millones de años, que es más largo que la edad estimada del universo. Un reloj de este tipo puede medir un cambio en su elevación de tan solo 2 cm mediante el cambio en su velocidad debido a la dilatación del tiempo gravitacional . [6]
Hasta ahora solo ha habido tres definiciones del segundo: como fracción del día, como fracción de un año extrapolado y como frecuencia de microondas de un reloj atómico de cesio , cada una de las cuales ha realizado una división sexagesimal del día a partir de los calendarios astronómicos antiguos.
Las civilizaciones del período clásico y anteriores crearon divisiones del calendario, así como arcos, utilizando un sistema de conteo sexagesimal, por lo que en ese momento el segundo era una subdivisión sexagesimal del día (antiguo segundo = día/60×60 ), no de la hora como el segundo moderno (= hora/60×60 ). Los relojes de sol y de agua se encontraban entre los primeros dispositivos para medir el tiempo, y las unidades de tiempo se medían en grados de arco. También se utilizaban unidades de tiempo conceptuales más pequeñas que las que se podían medir en los relojes de sol.
Hay referencias al "segundo" como parte de un mes lunar en los escritos de los filósofos naturales de la Edad Media, que eran subdivisiones matemáticas que no podían medirse mecánicamente. [nb 2] [nb 3]
Los primeros relojes mecánicos, que aparecieron a partir del siglo XIV, tenían indicadores que dividían la hora en mitades, tercios, cuartos y, a veces, incluso en 12 partes, pero nunca en 60. De hecho, la hora no se dividía comúnmente en 60 minutos, ya que no era uniforme en duración. No era práctico para los cronometradores considerar los minutos hasta que aparecieron los primeros relojes mecánicos que mostraban minutos cerca del final del siglo XVI. Los relojes mecánicos mantenían la hora media , a diferencia de la hora aparente que mostraban los relojes de sol . En ese momento, las divisiones sexagesimales del tiempo estaban bien establecidas en Europa. [nb 4]
Los primeros relojes que mostraban segundos aparecieron durante la segunda mitad del siglo XVI. El segundo se volvió medible con precisión con el desarrollo de los relojes mecánicos. El primer reloj accionado por resorte con un segundero que marcaba los segundos es un reloj sin firmar que representa a Orfeo en la colección Fremersdorf, fechado entre 1560 y 1570. [9] : 417–418 [10] Durante el tercer cuarto del siglo XVI, Taqi al-Din construyó un reloj con marcas cada 1/5 de minuto. [11] En 1579, Jost Bürgi construyó un reloj para Guillermo de Hesse que marcaba los segundos. [9] : 105 En 1581, Tycho Brahe rediseñó los relojes que solo mostraban minutos en su observatorio para que también mostraran segundos, aunque estos segundos no fueran precisos. En 1587, Tycho se quejó de que sus cuatro relojes diferían en más o menos cuatro segundos. [9] : 104
En 1656, el científico holandés Christiaan Huygens inventó el primer reloj de péndulo. Tenía una longitud de péndulo de poco menos de un metro, lo que le otorgaba una oscilación de un segundo, y un escape que marcaba cada segundo. Fue el primer reloj que podía medir el tiempo con precisión en segundos. En la década de 1730, 80 años después, los cronómetros marítimos de John Harrison podían medir el tiempo con una precisión de un segundo en 100 días.
En 1832, Gauss propuso utilizar el segundo como unidad base de tiempo en su sistema de unidades de milímetro-miligramo-segundo . La Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS) en 1862 declaró que "Todos los hombres de ciencia están de acuerdo en utilizar el segundo del tiempo solar medio como unidad de tiempo". [12] La BAAS propuso formalmente el sistema CGS en 1874, aunque este sistema fue reemplazado gradualmente durante los siguientes 70 años por unidades MKS . Tanto el sistema CGS como el MKS usaban el mismo segundo como su unidad base de tiempo. MKS fue adoptado internacionalmente durante la década de 1940, definiendo el segundo como 1 ⁄ 86,400 de un día solar medio.
A finales de la década de 1940, los relojes osciladores de cristal de cuarzo con una frecuencia de funcionamiento de ~100 kHz avanzaron para marcar el tiempo con una precisión mejor que 1 parte en 10 8 durante un período de funcionamiento de un día. Se hizo evidente que un consenso sobre estos relojes marcaba mejor el tiempo que la rotación de la Tierra. Los metrólogos también sabían que la órbita de la Tierra alrededor del Sol (un año) era mucho más estable que la rotación de la Tierra. Esto llevó a propuestas ya en 1950 para definir el segundo como una fracción de un año.
El movimiento de la Tierra fue descrito en las Tablas del Sol de Newcomb (1895), que proporcionaron una fórmula para estimar el movimiento del Sol en relación con la época de 1900 basándose en observaciones astronómicas realizadas entre 1750 y 1892. [13] Esto dio como resultado la adopción de una escala de tiempo de efemérides expresada en unidades del año sideral en esa época por la UAI en 1952. [14] Esta escala de tiempo extrapolada hace que las posiciones observadas de los cuerpos celestes concuerden con las teorías dinámicas newtonianas de su movimiento. [13] En 1955, el año trópico , considerado más fundamental que el año sideral, fue elegido por la UAI como unidad de tiempo. El año trópico en la definición no se midió sino que se calculó a partir de una fórmula que describe un año trópico medio que decrecía linealmente con el tiempo.
En 1956, el segundo se redefinió en términos de un año relativo a esa época . El segundo se definió así como "la fracción 1 / 31.556.925,9747 del año trópico correspondiente al 0 de enero de 1900 a las 12 horas de tiempo de efemérides". [13] Esta definición se adoptó como parte del Sistema Internacional de Unidades en 1960. [15]
Incluso los mejores relojes mecánicos, eléctricos y de cristal de cuarzo desarrollan discrepancias con las condiciones ambientales; mucho mejor para medir el tiempo es la "vibración" natural y exacta en un átomo energizado. La frecuencia de vibración (es decir, radiación) es muy específica dependiendo del tipo de átomo y de cómo se excita. [16] Desde 1967, el segundo se ha definido exactamente como "la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133 ". Esta duración de un segundo se seleccionó para que correspondiera exactamente a la duración del segundo de efemérides previamente definido. Los relojes atómicos utilizan dicha frecuencia para medir los segundos contando ciclos por segundo a esa frecuencia. La radiación de este tipo es uno de los fenómenos más estables y reproducibles de la naturaleza. La generación actual de relojes atómicos tiene una precisión de un segundo en unos pocos cientos de millones de años. Desde 1967 se han desarrollado relojes atómicos basados en átomos distintos del cesio-133 con una precisión 100 veces mayor, por lo que se prevé una nueva definición del segundo. [17]
Los relojes atómicos establecen ahora la duración del segundo y el estándar de tiempo para el mundo. [5] : 231–232
En 2022, la mejor realización del segundo se realiza con relojes de patrón primario de cesio como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 o SYRTE-FO2. Estos relojes funcionan enfriando con láser una nube de átomos de Cs a un microkelvin en una trampa magnetoóptica. Luego, estos átomos fríos se lanzan verticalmente mediante luz láser. Luego, los átomos experimentan una excitación de Ramsey en una cavidad de microondas. Luego, la fracción de átomos excitados se detecta mediante rayos láser. Estos relojes tienen5 × 10 −16 incertidumbre sistemática, que equivale a 50 picosegundos por día. Un sistema de varias fuentes en todo el mundo contribuye al Tiempo Atómico Internacional. Estos relojes de cesio también respaldan las mediciones de frecuencia óptica.
Los relojes ópticos se basan en transiciones ópticas prohibidas en iones o átomos. Tienen frecuencias de alrededor de 10 ...10 15 Hz , con un ancho de línea natural de típicamente 1 Hz, por lo que el factor Q es aproximadamente10 15 , o incluso más. Tienen mejores estabilidades que los relojes de microondas, lo que significa que pueden facilitar la evaluación de incertidumbres más bajas. También tienen una mejor resolución temporal, lo que significa que el reloj "hace tictac" más rápido. [18] Los relojes ópticos utilizan un solo ion o una red óptica con10 4 –10 6 átomos.
Una definición basada en la constante de Rydberg implicaría fijar el valor en un valor determinado: . La constante de Rydberg describe los niveles de energía en un átomo de hidrógeno con la aproximación no relativista .
La única forma viable de fijar la constante de Rydberg consiste en atrapar y enfriar el hidrógeno. Esto es difícil porque es muy ligero y los átomos se mueven muy rápido, lo que provoca desplazamientos Doppler. La radiación necesaria para enfriar el hidrógeno...121,5 nm – también es difícil. Otro obstáculo es mejorar la incertidumbre en los cálculos de QED, específicamente el desplazamiento de Lamb en la transición 1s-2s del átomo de hidrógeno. [19]
Una redefinición debe incluir una mayor fiabilidad de los relojes ópticos. Los relojes ópticos deben contribuir a la TAI antes de que el BIPM afirme una redefinición. Se debe desarrollar un método consistente de enviar señales antes de que se redefina el segundo, como la fibra óptica. [19]
Los prefijos del SI se utilizan habitualmente para tiempos inferiores a un segundo, pero rara vez para múltiplos de un segundo. En cambio, se permite el uso de ciertas unidades no pertenecientes al SI con el SI : minutos , horas , días y, en astronomía, años julianos . [20]
... el tiempo de efemérides definido... [fue] adoptado por la
Unión Astronómica Internacional
en septiembre de 1952.
