Warum sollte eine Uhr "genau" sein?

Warum muss sich eine Referenzuhr darum kümmern, wenn die Definition der Sekunde selbst eine Funktion der Anzahl der Ticks ist, die die Uhr macht.

Die Sorge ist, dass jemand anderes (z. B. ein Wissenschaftler in Frankreich, China oder Botswana) in der Lage sein muss, eine Uhr zu bauen, die Sekunden mit der gleichen Geschwindigkeit misst wie meine.

Wenn wir beide Atomuhren haben, können wir unsere Uhren auf Mikrosekunden pro Jahr synchronisieren. Wenn wir mechanische Uhren haben, können sie am Ende eines Jahres um eine Sekunde (oder jedenfalls einige Millisekunden) voneinander abweichen. Wenn wir sehr genaue Messungen durchführen (die Ankunftszeiten von Gammastrahlen von astronomischen Ereignissen in verschiedenen Teilen der Erde vergleichen oder einfach ein GPS-Navigationssystem verwenden), können einige Millisekunden (oder sogar Mikrosekunden) einen Unterschied in unseren Ergebnissen machen .

Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte hatten wir eine einzige mechanische Uhr: die sich drehende Erde.

Naja, eigentlich zwei mechanische Uhren. Die Rotationsrate der Erde ist eine gute Konstante, aber es ist schwierig, sie direkt zu messen. Was einfach zu messen ist, ist der Abstand zwischen den Sonnenaufgängen, aber der wird von Zeit zu Zeit länger und kürzer. Wenn die Sonnenaufgänge weiter auseinander liegen, wird das Wetter tendenziell wärmer, also war es für die Landwirtschaft nützlich, dies zu bemerken. Das liegt an der zweiten mechanischen Uhr: der Umlaufbahn der Erde um die Sonne.

Die Synchronisierung der Tagesuhr und der Jahresuhr war ein ungeheuer schwieriges Problem: Die Diskrepanz zwischen einem tropischen Jahr und einem 365-Tage-Jahr ist über die Dauer eines Menschenlebens hinweg gering. Die Lösung war der gregorianische Kalender, der im 16. Jahrhundert erfunden, aber erst im 20. Jahrhundert weltweit eingeführt wurde.

Sie kümmern sich nicht um die Genauigkeit, wenn Sie nur eine Uhr haben. Es ist unmöglich, sich darum zu kümmern: Sie können die Genauigkeit einer einzelnen Uhr nicht testen. Aber wenn Sie zehn Uhren haben, können Sie fragen, ob sie alle die gleiche Zeit haben, oder ob sie alle voneinander abweichen, oder ob acht von ihnen zusammen bleiben, aber zwei von ihnen langsam gehen.

Nehmen wir an, wir leben in Platons idealem Stadtstaat und ich bin der Philosophenkönig. Ich proklamiere meinen Schlafzyklus als Uhr. Eine Zeiteinheit ist das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten meines Aufwachens. Ausgestattet mit dieser Uhr begeben Sie sich auf die Suche, die Natur zu beobachten und ihre Muster zu verstehen. Die Welt würde unglaublich verwirrend aussehen und Sie könnten keine erkennbaren Muster in ihrem Verhalten erkennen. Manchmal ereigneten sich zwei Sonnenaufgänge in einer Zeiteinheit und manchmal gar keine, manchmal verspürten Sie sechsmal in einer Zeiteinheit Hunger und manchmal nur einmal, manchmal konnten Sie eine bestimmte Menge an Arbeit erledigen eine Zeitintervalleinheit, während Sie manchmal mehrere Zeitintervalleinheiten benötigen, um die gleiche Menge an Arbeit zu erledigen, selbst wenn Sie auf die gleiche Weise arbeiten usw.

Sie würden bald feststellen, dass viele Dinge robuster und vorhersehbarer aussehen würden, wenn Sie stattdessen die Sonne als Ihre Uhr verwenden und ihre zwei aufeinanderfolgenden Aufgänge verwenden, um das Einheitsintervall der Zeit zu definieren. Sie würden sehen, dass Sie während einer Zeiteinheit fast immer dreimal hungrig sind, dass Sie in jeder Zeiteinheit immer ungefähr die gleiche Menge an Arbeit erledigen usw.

Der Punkt ist, dass eine Uhr ein Mechanismus sein muss, der zuverlässig periodisch ist, idealerweise perfekt periodisch. Wie Sie sehen können, ist dies kreisförmig, aber Zirkularität ist das Falsche, worauf man sich konzentrieren sollte. Die Gültigkeit des Schemas ergibt sich aus der Tatsache, dass es, wie ich in meinem Beispiel oben gezeigt habe, gibtfalsche Antworten auf das, was Sie als periodisch verkünden, da sie nicht nützlich sind, um erkennbare Muster im Universum zu finden. Darüber hinaus können Sie bis zu einem gewissen Grad argumentieren, dass Sie gute Gründe haben, eine Systemperiodik zu proklamieren, noch bevor Sie spezifizieren, wie Zeit durch Berufung auf Symmetrie gemessen werden kann. Sie können zum Beispiel sagen, dass die Zeit, die während der Links-Rechts-Schwingung eines einfachen Pendels vergeht, gleich der Zeit sein muss, die während der Rechts-Links-Schwingung desselben Pendels vergeht. Natürlich wird diese Proklamation der Periodizität über eine große Anzahl von Schwingungen des Pendels nicht gut genug sein. Sie würden dies auf die gleiche Weise bemerken, wie Sie bemerkt haben, dass mein Schlafmuster nicht zuverlässig periodisch war. Und Sie würden fortfahren, ein noch zuverlässigeres periodisches System zu finden.

Das Streben, immer genauere Uhren zu finden, ist also das Streben, einem idealen periodischen System immer näher zu kommen, und das ist wichtig, weil die Nützlichkeit des Zeitkonzepts keinen Cent mehr ist als die Robustheit der Periodizität der Uhr die verwendet wird, um eine Zeiteinheit zu definieren.

wenn die Definition der Sekunde selbst eine Funktion der Anzahl der Ticks ist, die die Uhr macht.

Warum verwenden wir nicht einfach irgendwo eine einzelne einfache mechanische Uhr mit einer aufgezogenen Feder, die sie ticken lässt, und wenn sie tickt, behandeln wir sie so, als wäre eine Sekunde vergangen?

Hier liegt ein Denkfehler vor. Sekunden definieren nicht die Zeit, noch definieren Uhren den Lauf der Zeit. Das Universum definiert den Lauf der Zeit. Denken Sie daran, dass die Uhr zum Messen der Zeit verwendet wird . Die Uhr bestimmt nicht die Zeit. Mit anderen Worten, wir versuchen, die „Uhr des Universums“ zu verfolgen, die den Lauf der Zeit bestimmt . Unsere Definition der Sekunde besteht lediglich darin, die Zeit zu quantifizieren .

Diese Genauigkeit/Präzision impliziert, dass jeder Zyklus der Uhr von Moment zu Moment so identisch wie möglich ist (oder vielmehr den Zeitverlauf des Universums verfolgt, wo die Zeitdilatation knorrig wird). Darauf kommt es wirklich an. Nicht so sehr der Verlust einer Sekunde alle Millionen Jahre. Das ist zweitrangig.

Wirklich, die Präzision der Uhr kommt vor der Genauigkeit. Das ist am wichtigsten: Wie wiederholbar jedes Intervall ist. Die Genauigkeit kommt nur ins Spiel, wenn Sie einen Standard haben, den Sie anstreben, wie z. B. die theoretische Definition einer Sekunde oder eines anderen Zeitstandards oder anderer Uhren.

Warum verwenden wir nicht einfach irgendwo eine einzelne einfache mechanische Uhr mit einer aufgezogenen Feder, die sie ticken lässt, und wenn sie tickt, behandeln wir sie so, als wäre eine Sekunde vergangen?

(Angenommen, diese Uhr sendet ihre Zeit über Internet-NTP-Server an alle auf der Welt)

Denn es geht nicht nur darum, dass der Busfahrplan für alle stimmt.

Andere haben erwähnt, dass es hilfreich ist, wenn man mehrere Uhren hat, aber selbst wenn man nur eine Uhr hat, ist es wichtig, denn wenn man damit physikalische Phänomene misst, laufen diese physikalischen Phänomene bereits auf der Uhr des Universums. Wenn Sie ein Zeitmessgerät verwenden, sind gewissermaßen immer „zwei Uhren“ vorhanden.

Und je genauer eine Uhr ist, desto feiner und dennoch aussagekräftiger kann man die Intervalle unterteilen, um sehr schnelle Ereignisse oder sehr kleine Zeitunterschiede zwischen zwei Ereignissen zu messen.

Ein zentrales Uhrensystem hat viele Nachteile:

• Rundfunk bedeutet, dass das Signal Zeit braucht, also wenn ich eine Uhr brauche, wird es immer etwas hinterher sein. Dies kann nicht auf die für viele moderne Anwendungen erforderliche Genauigkeit festgelegt werden
• Wenn die Uhr ausfällt, was dann? Soll ich es durch ein neues ersetzen? Aber wird das genau genug sein? Denn wenn die neue Uhr anders tickt, werden alle meine Timings ausfallen. Vielleicht hängt mein GPS-Standort davon ab, dass ich Millisekunden genau messen kann. Eine Änderung dieser Definition ändert die Mathematik. Sie müssen also Uhren synchronisieren und sicherstellen, dass sie die Definition von "einer Sekunde" nicht ändern, und genau dafür sind Atomuhren gut. Das bedeutet es, zwei Atomuhren zu haben, die sich nach x Jahren nur geringfügig unterscheiden: Sie sind extrem genau!
• Was ist, wenn ich das Signal nicht bekomme (jemals ein Mobiltelefon benutzt?)? Dann brauche ich für die Zeit, in der ich kein Signal bekomme, eine eigene Uhr und wenn die nicht genau genug ist, scheitert vielleicht meine Bewerbung
• es gibt wirklich anwendungen, die extrem kleine sekundenbruchteile messen müssen. Es reicht also nicht, jede Sekunde ungefähr gleich lang zu machen. Aber Sie können nicht auf beliebiger Frequenz senden, also wie unterteile ich meine Sekunde genug? Ich kann es mit einer lokalen Uhr machen, ich kann es nur nicht mit einer Funkuhr ...

Und jetzt zum größten physikalischen Grund:

• Wie die Uhr tickt, hängt vom Bezugssystem der Uhr ab. Wenn ich die Uhr in einen fahrenden Zug stelle, wird sie für alle, die den Zug beobachten, langsamer (spezielle Relativitätstheorie). Wenn ich es auf die Spitze eines Berges bewege, wird es ein kleines bisschen schneller gehen (allgemeine Relativitätstheorie). Das bedeutet, dass die Definition der Zeit selbst vom Bezugsrahmen abhängt und eine "absolute Zeit" nicht existiert. Daher müssen wir eine Definition auswählen, die unabhängig vom Referenzrahmen ist, und sie verwenden, um die Zeit innerhalb jedes Referenzrahmens zu messen, also MÜSSEN wir mehrere Uhren haben.

Die Zeit vergeht nicht und wird nicht wahrgenommen, wie eine Uhr tickt. Wenn Sie ein Ei kochen, während Sie auf eine Uhr schauen, die langsam läuft, werden Sie es verkochen, ungeachtet der Tatsache, dass die Uhr anzeigt, dass Sie es genau für die beabsichtigte Dauer gekocht haben. „10 Minuten ein Ei kochen“ ist keine sinnvolle Anweisung, wenn die tatsächliche Dauer von 10 Minuten nicht konstant ist.

Eine mechanische Uhr zum Aufziehen ist nicht sehr genau und kann je nach Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. "Sekunden" unterschiedlicher Dauer erzeugen. Wenn Ihre Uhr keine konstante Tickrate hat, kann ein Ei "10 Minuten" lang gekocht werden. kann verkocht oder verkocht sein, da dieselben "10 Minuten" eine variable Zeitdauer darstellen können.

Wir müssen wissen, dass 10 Minuten, die heute gemessen werden, gleich 10 Minuten morgen sind. Eine mechanische Referenzuhr könnte sich mit der Zeit verlangsamen, was dazu führt, dass Prozesse mit konstanter Dauer scheinbar weniger Zeit in Anspruch nehmen - in 100 Jahren werden Sie vielleicht feststellen, dass ein perfekt gekochtes Ei laut Ihrer verlangsamten Uhr nur 5 "Minuten" dauert, während in Wirklichkeit, es ist genau die gleiche Dauer.

Ich füge diese Antwort hinzu, weil ich das Gefühl habe, dass die andere Antwort einige Hauptteile nicht abdeckt, warum wir dazu bestimmt sind, immer genauere Uhren zu erstellen: genauere Entfernungsberechnungen und die Neudefinition der Sekunde selbst.

Die Antwort auf Ihre Frage ist die Relativitätstheorie, da in Ihrem Beispiel eine Uhr nur relativ (zu einer anderen) genau sein kann.

Atomuhren sind so genau, dass sie etwa alle 100 Millionen Jahre eine Sekunde nachgehen; Als Referenz: Die durchschnittliche Quarzuhr verliert alle paar Jahre eine Sekunde. Andererseits wird die optische Gitteruhr von Yes alle 15 Milliarden Jahre eine Sekunde nachgehen, was sie zur genauesten Uhr der Welt macht.

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

Da es keine absolute Zeit gibt, gibt es auch keine absolut genaue Uhr. Wir leben zufällig in einem Universum, das grundlegend quantenmechanisch und probabilistisch ist. Alle Uhren "verlieren" irgendwann etwas Zeit (z. B. eine Sekunde), die Frage ist nur wann. Aber um zu wissen, dass die Uhr eine Sekunde "verloren" hat, müssen Sie sie mit einer anderen vergleichen.

Der Sinn des Ganzen ist, dass die Uhr Ticks (quantenmechanische Prozesse) in gleichen Zeitabständen wiederholen kann, das heißt, die Ticks sind gleich. Aber da wir über quantenmechanische Prozesse sprechen, wird einer der Ticks eine andere Länge haben als ein anderer Tick (und diese Unterschiede summieren sich schließlich zu einem messbaren Intervall, wie einer Sekunde).

Die Genauigkeit der Zeitmessung einer Atomuhr ist wichtig, denn je kleiner der Fehler bei einer Zeitmessung ist, desto kleiner ist der Entfernungsfehler, der sich aus der Multiplikation der Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt. Während Ingenieure präzisere Uhren herstellen, beginnen sie mit der Entwicklung verschiedener Ytterbium- und Strontium-basierter Typen, die die Zeit auf {\displaystyle 10^{-18}}{\displaystyle 10^{-18}} Sekunden messen. Es wird erwartet, dass diese optischen Uhren irgendwann in den nächsten 10 Jahren zu einer Neudefinition der Sekunde führen, möglicherweise mit der Rydberg-Konstante.

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

Wie Sie sehen können, gibt es zwei Hauptgründe, warum wir versuchen, mehr Genauigkeit zu erreichen:

1. Je kleiner der Fehler bei der Zeitmessung, desto kleiner der Fehler bei der Entfernungsberechnung (aufgrund der Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit bei den Berechnungen mit beispielsweise EM-Wellen).

2. die zweite selbst neu definieren

Aber es gibt keine absolute Genauigkeit, wir werden immer genauere Uhren herstellen können, und die Antwort auf Ihre Frage lautet, dass diese Genauigkeit immer relativ ist.

Die meisten Antworten sprechen davon, Uhren vergleichen zu können, was wichtig, aber nicht das grundlegende Problem ist. Der Sinn einer genauen Uhr besteht darin, eine genaue und universelle Messung des Zeitflusses zu haben.

Wenn Sie für Usain Bolt 2009 eine Zeit von 9,58 Sekunden messen, um 100 Meter zu laufen, und dann 2012 9,63 Sekunden messen, bedeutet das, dass er langsamer geworden ist, oder bedeutet das, dass sich die mechanischen Eigenschaften Ihrer schrottreifen Aufziehuhr geändert haben?

Wenn Sie 1967 die Periode eines Pulsars mit 1,337 s messen und 2022 eine andere Periode messen, hat sich dann der Pulsar oder Ihre Uhr umgestellt?

Nehmen wir an, Sie bestehen darauf, Ihre schrottige Aufziehuhr zu benutzen, die sich sagen wir in Greenwich, England, befindet, und haben einen Weg gefunden, ihre Ticks mit unendlicher Geschwindigkeit über die ganze Welt zu senden (ich werde sogar die Komplikation des Endlichen ignorieren Lichtgeschwindigkeit). Nehmen wir sogar an, Ihre Aufziehuhr ist ziemlich konstant, aber ihre Periode variiert leicht mit der Temperatur. Sie werden feststellen, dass die Leistung von Herrn Bolt in Berlin oder Peking vom aktuellen Wetter in Greenwich abhängt. Wenn Sie die Periode eines Pulsars im Februar 2022 messen und dann im Juli 2022 erneut messen, werden Sie aufgrund der Temperaturunterschiede in Greenwich zwischen diesen Zeiten eine leichte Verschiebung der Periode feststellen. Wenn Sie also Messungen von Pulsaren, Mondumlaufbahnen, LC-Schaltungen und olympischen Sprintern vergleichen, müssen Sie die Tabelle der Tagestemperaturen in Greenwich, England, zu Rate ziehen.

Alle Ihre Gleichungen für Himmelsmechanik und -elektronik erfordern Terme, die das lokale Wetter in Greenwich zum Zeitpunkt der Messung berücksichtigen. Dies würde alle Berechnungen, die irgendwie Zeit beinhalten, viel komplizierter machen.

Sie können sagen, Wassermolekül, die Relativitätstheorie besagt, dass alle Zeitmessungen relativ zum Beobachter sind, also kann ich jede alte Uhr verwenden. Aber das sagt die Relativitätstheorie nicht. Während ein außerirdisches Raumschiff, das mit halber Lichtgeschwindigkeit an der Erde vorbeifliegt, eine längere Zeit für Usain Bolts rekordverdächtigen Sprint (11,06 s) messen würde, wäre es unter der Annahme, dass sie eine genaue Uhr haben, in der Lage, die richtige Zeit in der Stadionruhe zu berechnen Rahmen auf 9,58 Sekunden. Die Relativitätstheorie macht eine genaue Uhr nicht überflüssig.

Die Zeit hat sich in Theorie und Experiment zu einer fundamentalen physikalischen Größe entwickelt, weil Pendel gleicher Länge und LC-Schaltungen mit gleichen Komponenten überall dort, wo die Experimente durchgeführt werden, ähnliche Zeiten liefern und nicht von den Bedingungen an einem entfernten Ort abhängen. Wenn die Zeit aufgrund lokaler Bedingungen in Greenwich, England oder an der Oberfläche von Beteigeuze zufälligen Effekten unterliegen würde, würden wir sie nicht als fundamentalen Parameter verwenden. Wir haben das Konzept der Zeit speziell erfunden, weil es wiederholbare Experimente ermöglicht. Wenn die lokale Temperatur an der Oberfläche von Beteigeuze den Lauf der Zeit bestimmen würde, wäre die Physik nie erfunden worden und wir hätten kaum die Fähigkeit, die Welt um uns herum zu verstehen.

Eine Anwendung für die Notwendigkeit einer genauen Zeitmessung wäre die Bewertung, ob die fundamentalen Konstanten wirklich konstant sind. Siehe zum Beispiel diesen Artikel, Kapitel 6:
https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/fachabteilungen/abteilung_4/4.4_zeit_und_frequenz/pdf/2010-Peik_NuclPhysB_Fundamentals_constants.pdf

Die exakte Zeitmessung ermöglicht auch die exakte Messung von SI-Einheiten, die von der Einheit Sekunde abgeleitet werden. Beispiele sind das Meter, das Kilogramm und das Kelvin. Ihre Genauigkeit beruht sozusagen (neben anderen Werten) auf der Genauigkeit der Sekunde.

Sie könnten ein Standardpendel verwenden, dessen zeitliche Periode bekannt ist. Es wäre jedoch schwierig, dieses exakte Standardpendel an jedem Ort zu reproduzieren und damit zu experimentieren. So wie jede Reproduktion eines Standardmessgeräts in gewissem Maße variieren würde, würden sie immer in gewissem Maße variieren. Die meisten Uhren variieren in ihren Periodenzeiten. Deshalb wird die Cäsiumuhr zum Standard gemacht. Sie variiert am wenigsten (nur eine Sekunde alle Millionen Jahre, wobei diese Millionen Jahre durch eine ideale, nicht existierende, perfekte Uhr im Geist gemessen werden; eine mit konstanter Periode).

Tatsächlich ist es das Ticken dieser Cäsiumuhr, das verwendet wird, um die "richtige" Zeit über die Medien zu verbreiten. Sie könnten Omas Pendeluhr verwenden, aber in der modernen Gesellschaft könnte dies zu Schwierigkeiten führen.
Wenn zum Beispiel ein technischer Prozess ein genaues Timing erfordert, kann Omas Pendel Systemausfälle, Explosionen, Flugzeugabstürze und vielleicht sogar einen dritten Weltkrieg verursachen. Wenn Oma gewusst hätte, dass sie es nicht gespendet hätte...

Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist die

Verwenden Sie einfach irgendwo eine einzelne einfache mechanische Uhr mit einer aufgezogenen Feder, die sie ticken lässt, und wenn sie tickt, behandeln Sie sie so, als wäre eine Sekunde vergangen

ist nicht so genau wie du denkst. Es gibt keine Garantie dafür, dass Ihre mechanische Uhr in 100 Jahren so bleibt, wie sie ist.

Ein weiteres Beispiel kann mit der Art und Weise gegeben werden, wie der Zähler zuerst definiert wurde. Es wurde als die Länge einer Stange definiert, die vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) hergestellt wurde . Die Stange kann beginnen, ihre Form zu ändern oder sich mit der Zeit verschlechtern.

Ab 2019 ist die genaueste Definition der Sekunde in dieser Wikipedia zu finden

„Das zweite Symbol$s$, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie wird definiert, indem der feste Zahlenwert der Cäsiumfrequenz genommen wird$\Delta v_{Cs}$, die ungestörte Grundzustands-Hyperfein-Übergangsfrequenz des Cäsiums$133$Atom, sein$9192631770$wenn sie in der Einheit Hz ausgedrückt wird, was gleich ist$s^{−1}$."

"Warum verwenden wir nicht einfach irgendwo eine einzige einfache mechanische Uhr ..."

Das ist eine sehr schöne Idee! Und tatsächlich war es viele Jahre lang die Lösung des Problems von Länge und Masse. Es gibt (denke ich immer noch) ein kleines Gebäude in Sèvres, in dem eine Stange von 1 m Länge und einem Gewicht von 1 kg aufbewahrt wird.

Aber leider waren dies die Prototypen und alle anderen konnten nur Kopien herstellen. Durch die Neudefinition von Sekunde (und Meter und Kgr und einigen anderen Dingen) kann jetzt jeder den ursprünglichen "Stab" oder "Kgr" oder "Sekunde" für diese Angelegenheit herstellen. Eine Cäsium-Uhr verwirklicht genau die neue Definition der Sekunde und kann überall im Universum hergestellt werden, sofern eine gewisse Homogenität und Isotropie und andere Bedingungen vorausgesetzt werden, wodurch eine Synchronisation ermöglicht wird. Im Grunde ist es (wieder) eine Frage der Demokratie. :)

Der Trick ist, dass, wenn Sie dies mit einer mechanischen Uhr tun würden, die Länge ihrer "Sekunde" sich im Laufe der Zeit zunehmend ändern würde, wenn sich Teile abnutzen und dergleichen. Man kann also nicht wissen, ob eine gerade abgelaufene „Sekunde“ wirklich so lang oder so kurz war wie eine vor einiger Zeit. Da Sie nichts anderes haben, um eine Sekunde zu definieren, können Sie die Uhr nicht reparieren oder umbauen, um dies zu beheben, da Sie keinen Bezugspunkt haben.

Aus dem gleichen Grund wurde der physikalische Massenstandard Kilogramm kürzlich abgeschafft. Der Metallklumpen war wirklich haltbar und gut gepflegt ... nur nicht haltbar genug und seine Masse änderte sich langsam um ein paar Mikrogramm.

Ein Atomfrequenznormal basiert jedoch auf physikalischen Prozessen, die sich unseres Wissens nicht ändern. Selbst wenn die Atomuhr fehlerhaft wird und anfängt, eine ungenaue Zeit zu melden, wenn ihre Elektronik verschleißt, können Sie sie einfach reparieren oder ersetzen und erneut mit diesem zugrunde liegenden Standard vergleichen, da es sich überhaupt nicht um ein Artefakt handelt.

wenn die Definition der Sekunde selbst eine Funktion der Anzahl der Ticks ist, die die Uhr macht.

Nun ... die ursprüngliche Definition einer Sekunde war ein menschlicher Herzschlag.

Im frühen Römischen Reich wurde der Tag immer in 12 Stunden eingeteilt und die Nachtzeit wurde ebenfalls immer in 12 Stunden eingeteilt – für eine Gesamtsumme von 24 Stunden – aber diese 24 Stunden waren nicht einheitlich. Zum Beispiel waren im Winter „Tagsekunden“ kürzer, während „Nachtsekunden“ länger waren; das Gegenteil geschah im Sommer. Was für ein Chaos.

Heutzutage ist eine Sekunde definiert als 1/86400 eines Tages von 1820. Und natürlich dreht sich die Erde 200 Jahre später nicht mehr mit der gleichen Geschwindigkeit, also hat ein Tag im Jahr 2022 mehr als 86400 Sekunden ... was produziert das Konzept der "Schaltsekunden". Niemand mag jetzt Schaltsekunden. Ich meine, wer will schon bis 61 [Sekunden] zählen, um ein frohes neues Jahr [alle zwei Jahre] zu feiern?

Bevor es GPS gab und bevor Usain Bolt seine ersten Schritte unternahm, waren Schiffe auf See. Es ist einfach, den Breitengrad mit einem Instrument wie einem Sextanten und etwas Trigonometrie zu bestimmen. Das Messen des Längengrads ohne eine genaue Uhr ist jedoch sehr schwierig.

Informieren Sie sich über John Harrison und die Entwicklung des Marine Chronometers (beginnen Sie hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Marine_chronometer ), um herauszufinden, wie wichtig eine genaue Zeitmessung ist, um einem Schiff zu sagen, wo es sich im Ozean befindet.

Die Messung der Zeit und die Messung „wo du bist“ sind seit Jahrhunderten miteinander verbunden.

Das Problem mit einer mechanischen Uhr ist nicht, dass sie im Vergleich zu einer anderen Uhr „ungenau“ ist. Das Problem ist, dass es die Zeit nicht mit der gleichen Geschwindigkeit misst: Eine mechanische Definition einer Sekunde driftet stark mit der Temperatur und der Alterung der Komponenten, egal wie Sie es implementieren würden, und ändert sich auch mit der Gravitationsbeschleunigung und mit dem Magnetfeld der Erde , es sei denn, Sie stellen die gesamte mechanische Uhr aus Isolatoren her. Sobald Sie zu präzisen Zeitmessungen kommen, werden sogar Effekte zweiter oder dritter Ordnung signifikant.

Sowohl die Magnetfeldstärke der Erde als auch die lokale Gravitationsbeschleunigung driften lokal mit Raten, die wir derzeit recht gut messen können, und das können wir, weil wir die Zeit messen können, ohne dass eine Uhr von solchen Effekten betroffen ist .

Jetzt fragt ihr euch: aber warum kümmert es uns, wenn wir diese Wechselsekunde einfach ausstrahlen?

Hm. F = m*a. Wenn die Definition der Sekunde herumdriftet, müsste dies auch die Definition eines Kilogramms sein, um genaue Ergebnisse aus grundlegenden Dingen wie Newtons 3. Gesetz zu erhalten. Der 3. Hauptsatz wird indirekt bei allen Arten von Messungen verwendet, daher wäre ein driftender zweiter Standard eine schlechte Nachricht. Und das ist nur ein elementares Beispiel. Alle grundlegenden physikalischen Konstanten hängen mit der Definition einer Sekunde zusammen...

Und die Lösung, die wir gefunden haben, war die Suche nach stabileren mechanischen Systemen. Es ist einfach so, dass je stabiler ein Takt ist, desto besser reproduzierbar wird auch das Design.

Und die Atomuhren sind... mechanische Uhren. Quantenmechanisch, aber immerhin. Es ist vergleichsweise einfach, sie überall zu replizieren, wenn Sie nur ihre Beschreibung erhalten, da ihre Definition an ... warte darauf ... die Definition natürlicher Zahlen und des Zählens gebunden ist. Solange Sie sich mit jemandem darüber einigen können, wie Sie den Inhalt von Atomkernen zählen, können Sie sich darüber einigen, welche Elemente für die Atomuhr verwendet werden sollen. In ähnlicher Weise können Sie die Orbitale zählen und auf die Zustandsübergänge nullen, die als Zeitbasis in der Atomuhr verwendet werden. Dies geht mehr auf den Kontakt (das Buch / den Film) und die Art und Weise ein, wie er die Konzepte der Vermittlung von Grundlagenforschung über zivilisatorische Grenzen hinweg präsentiert. Irgendwo muss man anfangen, und natürliche Zahlen eignen sich für diesen Zweck recht gut.

Eine andere wichtige Sache ist, dass Zeit die Menge (einer Art) ist, die wir am genauesten messen können. Es hilft also, wenn wir auf der fundamentalen Ebene die Definitionen anderer physikalischer Konstanten und Größen an die Definition einer Sekunde binden können. Beispielsweise verknüpft der Josephson-Effekt die Zeit (Frequenz) mit der Spannung, und wir könnten plötzlich die Genauigkeit unseres Volt-Standards um eine Größenordnung verbessern, verglichen mit früheren Standards zB elektrochemischer oder thermoelektrischer Natur. Dies führt zurück zu Newton, da wir Kraftmessungen mit elektromagnetischer Kraft in Beziehung setzen können, wenn ein bestimmter Strom durch Leiter fließt, und wir Strom in Bezug auf Zeitablauf und natürliche Zahlen (Zählen der Elektronen!) definieren können.

In der Praxis stellt sich also heraus, dass ein hochgradig lokal reproduzierbarer Zeitstandard verwendet werden kann, um andere physikalische Standards zu propagieren oder zu verbreiten, da sie nicht auf anderen Sendungen als statischem gemeinsamen Wissen und Definitionen basieren müssen. Das ist wichtig, da z. B. wie viel Sie für Strom bezahlen, an die Definitionen von Volt und Ampere gebunden ist, und wenn Sie die Strompreise zwischen zwei Ländern sinnvoll vergleichen möchten, sollten sie sich besser darauf einigen, wie Volt und Ampere mit anderen physikalischen Konstanten zusammenhängen. Und eine solche Vereinbarung ist am besten, wenn jeder die erforderlichen Standards lokal ableiten kann, ohne irgendjemand anderen um etwas anderes als Informationen zu bitten.

Kurz gesagt, die Beziehung anderer physikalischer Konstanten zu einer Definition einer Sekunde, die quantitativ an die natürlichen Zahlen und grundlegende physikalische Prozesse gebunden ist, ermöglicht es jedem und jeder, seine eigene physikalische Einheit und konstante Standards unabhängig zu synthetisieren, ohne dynamische Übertragungen oder das Teilen von Artefakten.

Ein weiterer Punkt: Sie benötigen an vielen Stellen synchronisierte Uhren (wie in vielen anderen Antworten argumentiert), und Uhren, die von Natur aus sehr genau sind, sind viel einfacher zu synchronisieren. Und Protokolle wie NTP (Network Time Protocol) sind für viele Anwendungen nicht präzise genug.

Ich wollte nur den historischen Kontext von Uhren und Zeitmessung erweitern.

Dies ist ein Auszug aus dem ausgezeichneten Buch von Joel Mokyr über Technologie The Lever of Riches (Hervorhebung von mir):

... [Im 15. Jahrhundert] Die Fortschritte in der Uhrmacherei machten die Miniaturisierung von Uhren möglich und führten zur Demokratisierung der Zeitmessung.

„ Die Uhr , nicht die Dampfmaschine“, schreibt Mumford etwas überspitzt, „ ist die Schlüsselmaschine des modernen Industriezeitalters .“ Es ist mechanisch, automatisch und erfordert ein hohes Maß an Präzision in Konstruktion und Wartung und diente daher als Vorbild für alle anderen Maschinen. Es schuf Ordnung und Organisation und einen gemeinsamen Satz objektiver Informationen. Mitte des 14. Jahrhunderts war der Brauch, die Stunde in 60 Minuten zu je 60 Sekunden einzuteilen, zum Standard geworden. Vier Uhr war für alle Menschen vier Uhr, eine Stunde war eine Stunde. Diese Kommunizierbarkeit von Fakten und Konzepten, die „1-see-what-you-see“-Phase der Informationsverbreitung, war ein wichtiges Element bei der Verbreitung von Innovationen.

Darüber hinaus ermöglichte es eine genauere Messung der Produktivität. Schließlich ist in unserer Vorstellung von Effizienz die Notwendigkeit enthalten, Zeit zu messen: Produktivität ist ein Flusskonzept. Uhren brachten Unterschiede in der Effizienz nach Hause : produktivere Arbeiter und bessere Arbeitsgeräte und Werkzeuge konnten gesehen werden, um mehr Leistung pro Stunde zu produzieren. Produktivitätsvergleiche wurden einfacher und damit auch die Wahl zwischen schneller und langsamer. Uhrmacher brachten neue Standards in Bezug auf Genauigkeit und Komplexität in die Konstruktion mechanischer Vorrichtungen, und viele spielten eine wichtige Rolle bei späteren Erfindungen in anderen Branchen.

Anders gesagt, genaue Uhren waren das Mittel zum Zweck des wissenschaftlichen und industriellen Fortschritts:

• die Fähigkeit zu reisen und die Zeit zu halten - das heißt, zwei Uhren in Genua zu stellen, eine um die halbe Welt und zurück zu segeln und sie synchron zu halten, keine leichte Aufgabe im Jahr 1492

• die Fähigkeit, die Produktivität anderer Menschen und Prozesse genau zu messen, eine Schlüsselvoraussetzung für die Mechanisierung und systematische Organisation von Arbeit, Zünften, Mühlen, Fabriken, großflächiger Landwirtschaft

• die Fähigkeit, Experimente genau zu messen ( und zu reproduzieren ), eine Voraussetzung für den Aufstieg der wissenschaftlichen Methode und der „Wissenschaftler“, Koperzius, Brahe, Kepler, Napier, Galileo.

Max Veblen sagte einmal: „Erfindung ist überall die Mutter der Notwendigkeit.“ Anders gesagt, um Ihre Frage zu beantworten: Es gibt überhaupt keinen Grund, warum eine Uhr genau sein muss. Aber die Fähigkeiten, die eine genaue Uhr freisetzte, rechtfertigten die Bemühungen, in einem virtuosen Innovationszyklus kontinuierlich genauere Uhren herzustellen.

Wichtig ist nicht nur die genaue Uhr, sondern die Vergleichbarkeit ihrer gemessenen Zeitintervalle. Sie müssen so genau und einzigartig wie möglich sein, um weltweit gleiche Verfahren vergleichen zu können.

Zuverlässige Ergebnisse können mit gleichen technischen Uhrentypen erreicht werden.