Segundo

El segundo es la unidad base del SI para el tiempo. Actualmente definido (desde 1967) como 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida por una transición específica en el átomo de cesio-133 a cero absoluto, estado fundamental.

Definiciones históricas:

• Antes de 1956: 1/86.400 de un día solar medio. Ligado a la rotación de la Tierra, que es irregular.
• 1956-1967: 1/31.556.925,9747 del año tropical de 1900. Resolvió el problema de la irregularidad de la rotación pero seguía siendo arbitrario.
• 1967-presente: definición del reloj atómico de cesio-133 mencionada anteriormente.

Los relojes atómicos modernos (el conjunto del BIPM, el NIST-F2 del NIST) son precisos a aproximadamente una parte en 10¹⁶ — suficiente para que ganen o pierdan menos de un segundo durante la edad del universo. Los relojes Cs-133 ahora están siendo complementados por relojes de red óptica aún más precisos (una parte en 10¹⁸ o mejor), que pueden formar la base de una futura redefinición.

El segundo es la unidad del SI más fundamental en términos prácticos: el metro se define en términos del tiempo de recorrido de la luz, el kilogramo en términos de la constante de Planck que involucra el tiempo, y la mayoría de las mediciones modernas dependen en última instancia de una medición de tiempo precisa.

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Relojes de red óptica y la inminente redefinición: la definición de cesio-133 de 1967 fijó el segundo a ~10⁻¹⁶ de precisión, que era el estado del arte en ese momento. Los relojes de red óptica de estroncio e iterbio construidos desde 2014 (NIST, JILA, RIKEN, PTB) ahora demuestran ~10⁻¹⁸ de precisión — 100 veces mejor que lo que puede expresar la definición existente. La Conferencia General de Pesas y Medidas ha aprobado una hoja de ruta hacia la redefinición del segundo alrededor de una transición óptica, apuntando a 2030 o poco después. La redefinición preservará el segundo existente dentro del ruido de medición pero permitirá que el GPS, los sistemas de negociación financiera y los experimentos de física fundamental se anclen a una referencia más precisa.

El segundo está en el centro del grafo del SI: desde 2019, las siete unidades base del SI se definen mediante constantes fundamentales, y la mayoría de esas constantes dependen implícitamente del segundo. El metro depende de la velocidad de la luz (una medición que involucra el tiempo). El kilogramo depende de la constante de Planck (en joule-segundos). El amperio depende de la carga elemental por segundo. La candela depende de los vatios por estereorradián (energía por segundo). Solo el kelvin (Boltzmann), el mol (Avogadro) y el segundo en sí son independientes de los segundos. Si mejora la precisión del reloj atómico, mejora la precisión de todas las demás unidades del SI con él. Referencia: Folleto del SI del BIPM — El segundo.

Ejemplo práctico

El GPS depende del segundo de forma estructural. Cada satélite lleva un reloj de cesio o rubidio; la trilateración de posición usa el tiempo de viaje de señales de radio de al menos cuatro satélites a la velocidad de la luz (~299.792.458 m/s). Un error de tiempo de solo 1 nanosegundo corresponde a un error de posición de ~30 cm: 299.792.458 m/s × 10⁻⁹ s ≈ 0,30 m. Un error de 1 microsegundo se convierte en 300 m, lo que haría inútil al GPS para la navegación por carretera. Los satélites también deben corregir por la relatividad general (los relojes más arriba en el pozo gravitacional de la Tierra avanzan ~38 microsegundos por día más rápido que los relojes en tierra) y la relatividad especial (la velocidad orbital los hace avanzar ~7 microsegundos por día más lento). La corrección neta (~38 − 7 = ~38 µs/día más rápido) está codificada en el reloj del satélite al lanzamiento; sin ella, el GPS derivaría ~11 km/día.

Cuándo y por qué importa

Más allá del GPS, el segundo sustenta la marca de tiempo de los mercados financieros (MiFID II en Europa exige sincronización de reloj de precisión de microsegundos para los centros de negociación, rastreable hasta UTC), sincronización de fase de la red eléctrica (las PMU muestrean cientos de veces por segundo para detectar la inestabilidad de la red antes de que se propague), telecomunicaciones (las estaciones base LTE/5G deben sincronizarse en el tiempo a 1 µs entre sí para la transferencia), y la medición científica (las detecciones de ondas gravitacionales de LIGO dependen de la correlación cruzada de señales de sitios en Washington y Louisiana con precisión de nanosegundos). El protocolo PTP (IEEE 1588) y los osciladores disciplinados por GPS son la forma en que los centros de datos obtienen tiempo de sub-microsegundo en miles de servidores sin que cada uno necesite su propio reloj atómico. Referencia: NIST — División de Tiempo y Frecuencia.