Секунда (символ: с ) — единица времени в Международной системе единиц (СИ), исторически определяемая как 1 ⁄ 86400 часть суток — этот фактор произошел от деления суток сначала на 24 часа , затем на 60 минут и, наконец, на 60 секунд в каждом (24 × 60 × 60 = 86400).
Современное и официальное определение в Международной системе единиц (СИ) является более точным:
Второе [...] определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия, Δ ν Cs , невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия 133 , равной 9 192 631 770 , выраженной в единицах Гц , что равно с −1 . [1]
Это текущее определение было принято в 1967 году, когда стало возможным определять секунду на основе фундаментальных свойств природы с помощью цезиевых часов . [2] Поскольку скорость вращения Земли меняется и замедляется очень незначительно , к гражданскому времени через нерегулярные интервалы добавляется дополнительная секунда [примечание 1], чтобы синхронизировать часы с вращением Земли.
«Минута» происходит от латинского pars minuta prima , что означает «первая малая часть», т. е. первое деление часа — делится на шестьдесят, а «секунда» происходит от pars minuta secunda , «вторая малая часть», делится снова на шестьдесят.
Аналоговые часы и наручные часы часто имеют шестьдесят делений на циферблате, представляющих секунды (и минуты), и «секундную стрелку», чтобы отмечать ход времени в секундах. Цифровые часы и наручные часы часто имеют двухзначный счетчик секунд.
Префиксы СИ часто сочетаются со словом секунда для обозначения подразделений секунды: миллисекунды (тысячные), микросекунды (миллионные), наносекунды (миллиардные), а иногда и более мелкие единицы секунды. Кратные секунды обычно исчисляются часами и минутами. Хотя префиксы СИ также могут использоваться для образования кратных секунд, таких как килосекунды (тысячи секунд), такие единицы редко используются на практике. Повседневный опыт с малыми долями секунды — это микропроцессор с частотой 1 гигагерц, имеющий время цикла 1 наносекунда. Выдержки затвора камеры часто выражаются в долях секунды, например, 1 ⁄ 30 секунды или 1 ⁄ 1000 секунды.
Шестидесятеричные деления дня из календаря, основанного на астрономических наблюдениях, существовали с третьего тысячелетия до нашей эры, хотя они не были секундами, как мы знаем их сегодня. [3] Небольшие деления времени тогда не могли быть измерены, поэтому такие деления были получены математически. Первыми хронометрами, которые могли точно отсчитывать секунды, были маятниковые часы, изобретенные в 17 веке. Начиная с 1950-х годов атомные часы стали лучшими хронометрами, чем вращение Земли, и они продолжают устанавливать стандарт сегодня.
Механические часы, которые не зависят от измерения относительного вращательного положения Земли, сохраняют единое время, называемое средним временем , с той точностью, которая свойственна им. Это означает, что каждая секунда, минута и каждое другое деление времени, отсчитываемое часами, имеет ту же продолжительность, что и любое другое идентичное деление времени. Но солнечные часы , которые измеряют относительное положение Солнца на небе, называемое явным временем , не сохраняют единое время. Время, сохраняемое солнечными часами, меняется в зависимости от времени года, что означает, что секунды, минуты и каждое другое деление времени имеют разную продолжительность в разное время года. Время суток, измеренное с помощью среднего времени по сравнению с явным временем, может отличаться на целых 15 минут, но один день отличается от другого лишь на небольшую величину; 15 минут — это кумулятивная разница за часть года. Эффект обусловлен главным образом наклоном оси Земли по отношению к ее орбите вокруг Солнца.
Разница между истинным солнечным временем и средним временем была известна астрономам еще с древности, но до изобретения точных механических часов в середине XVII века единственными надежными приборами были солнечные часы, а истинное солнечное время было единственным общепринятым стандартом.
Доли секунды обычно обозначаются в десятичной системе счисления, например, 2,01 секунды или две сотые секунды. Множество секунд обычно выражается в виде минут и секунд или часов, минут и секунд часового времени, разделенных двоеточиями, например, 11:23:24 или 45:23 (последняя запись может привести к неоднозначности, поскольку для обозначения часов и минут используется та же запись). Редко имеет смысл выражать более длительные периоды времени, такие как часы или дни, в секундах, потому что это неуклюже большие числа. Для метрической единицы секунды существуют десятичные префиксы, представляющие от 10 −30 до 10 30 секунд.
Некоторые общепринятые единицы времени в секундах: минута составляет 60 секунд; час составляет 3600 секунд; день составляет 86 400 секунд; неделя составляет 604 800 секунд; год (кроме високосных лет ) составляет 31 536 000 секунд; а ( григорианский ) век в среднем составляет 3 155 695 200 секунд; со всем вышеперечисленным, исключая любые возможные високосные секунды . В астрономии юлианский год составляет ровно 31 557 600 секунд.
Вот некоторые распространенные события, происходящие за секунды: камень падает с высоты около 4,9 метра из состояния покоя за одну секунду; маятник длиной около одного метра совершает колебание за одну секунду, поэтому маятниковые часы имеют маятник длиной около метра; самые быстрые спринтеры пробегают 10 метров за секунду; океанская волна в глубокой воде проходит около 23 метров за одну секунду; звук проходит около 343 метров за одну секунду в воздухе; свету требуется 1,3 секунды, чтобы достичь Земли с поверхности Луны, что составляет 384 400 километров.
Секунда является непосредственной частью других единиц, таких как частота, измеряемая в герцах ( обратные секунды или с −1 ), скорость в метрах в секунду и ускорение в метрах в секунду в квадрате. Единица метрической системы беккерель , мера радиоактивного распада, измеряется в обратных секундах, а более высокие степени секунды участвуют в производных ускорения, таких как рывок . Хотя многие производные единицы для повседневных вещей сообщаются в терминах более крупных единиц времени, а не секунд, они в конечном итоге определяются в терминах секунды СИ; это включает время, выраженное в часах и минутах, скорость автомобиля в километрах в час или милях в час, киловатт-часы потребления электроэнергии и скорость поворотного круга в оборотах в минуту.
Более того, большинство других базовых единиц СИ определяются их отношением к секунде: метр определяется установлением скорости света (в вакууме) равной 299 792 458 м/с, точно; определения базовых единиц СИ килограмм , ампер , кельвин и кандела также зависят от секунды. Единственная базовая единица, определение которой не зависит от секунды, — это моль , и только две из 22 названных производных единиц, радиан и стерадиан , также не зависят от секунды.
Набор атомных часов по всему миру отсчитывает время на основе консенсуса: часы «голосуют» за правильное время, и все голосующие часы управляются так, чтобы соответствовать консенсусу, который называется Международным атомным временем (TAI). TAI «тикает» атомными секундами. [4] : 207–218
Гражданское время определяется в соответствии с вращением Земли. Международным стандартом для хронометража является Всемирное координированное время (UTC). Эта шкала времени «отсчитывает» те же атомные секунды, что и TAI, но вставляет или пропускает дополнительные секунды по мере необходимости для коррекции изменений скорости вращения Земли. [4] : 16–17, 207
Шкала времени, в которой секунды не в точности равны атомным секундам, называется UT1, формой всемирного времени . UT1 определяется вращением Земли относительно Солнца и не содержит дополнительных секунд. [4] : 68, 232 UT1 всегда отличается от UTC менее чем на секунду.
Хотя они пока не являются частью какого-либо стандарта хронометража, оптические решетчатые часы с частотами в видимом спектре света уже существуют и являются самыми точными хронометристами из всех. Стронциевые часы с частотой 430 ТГц в красном диапазоне видимого света в 2010-х годах удерживали рекорд точности: они прибавляют или отстают менее чем на секунду за 15 миллиардов лет, что больше предполагаемого возраста Вселенной. Такие часы могут измерять изменение своей высоты всего на 2 см за счет изменения своей скорости из-за гравитационного замедления времени . [5]
За всю историю существовало всего три определения секунды: как части суток, как части экстраполированного года и как микроволновой частоты цезиевых атомных часов, каждое из которых реализовывало шестидесятеричное деление суток из древних астрономических календарей.
Цивилизации классического периода и более раннего периода создавали деления календаря, а также дуги, используя шестидесятеричную систему счета, поэтому в то время секунда была шестидесятеричным подразделением дня (древняя секунда = день/60×60 ), а не часа, как современная секунда (= час/60×60 ). Солнечные и водяные часы были одними из самых ранних устройств для измерения времени, а единицы времени измерялись в градусах дуги. Также использовались концептуальные единицы времени, меньшие, чем реализуемые на солнечных часах.
В трудах натурфилософов Средневековья встречаются упоминания о «секунде» как части лунного месяца, которая представляла собой математическую единицу, не поддающуюся механическому измерению. [nb 2] [nb 3]
Самые ранние механические часы, которые появились в XIV веке, имели дисплеи, которые делили час на половины, трети, четверти и иногда даже на 12 частей, но никогда на 60. Фактически, час обычно не делился на 60 минут, поскольку он был неравномерным по продолжительности. Для хранителей времени было непрактично учитывать минуты, пока первые механические часы, которые отображали минуты, не появились около конца XVI века. Механические часы показывали среднее время , в отличие от видимого времени, отображаемого солнечными часами . К тому времени шестидесятеричное деление времени было прочно устоявшимся в Европе. [nb 4]
Самые ранние часы, показывающие секунды, появились во второй половине XVI века. Секунда стала точно измеряться с развитием механических часов. Самые ранние пружинные часы с секундной стрелкой, которая отмечала секунды, — это неподписанные часы с изображением Орфея в коллекции Фремерсдорфа, датированные 1560 и 1570 годами. [8] : 417–418 [9] В третьей четверти XVI века Таки ад-Дин построил часы с отметками каждые 1/5 минуты. [10] В 1579 году Йост Бюрги построил часы для Вильгельма Гессенского , которые показывали секунды. [8] : 105 В 1581 году Тихо Браге переделал часы, которые показывали только минуты в его обсерватории, так, чтобы они также показывали секунды, хотя эти секунды были неточными. В 1587 году Тихо жаловался, что его четверо часов расходятся на плюс-минус четыре секунды. [8] : 104
В 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изобрел первые маятниковые часы. Длина маятника составляла чуть меньше метра, что давало ему колебание в одну секунду, и спусковой механизм, который тикал каждую секунду. Это были первые часы, которые могли точно показывать время в секундах. К 1730-м годам, 80 лет спустя, морские хронометры Джона Харрисона могли показывать время с точностью до одной секунды за 100 дней.
В 1832 году Гаусс предложил использовать секунду в качестве базовой единицы времени в своей системе единиц миллиметр-миллиграмм-секунда . Британская ассоциация содействия развитию науки (BAAS) в 1862 году заявила, что «Все люди науки согласны использовать секунду среднего солнечного времени в качестве единицы времени». [11] BAAS официально предложила систему CGS в 1874 году, хотя эта система была постепенно заменена в течение следующих 70 лет единицами MKS . Обе системы CGS и MKS использовали одну и ту же секунду в качестве базовой единицы времени. MKS была принята на международном уровне в 1940-х годах, определив секунду как 1 ⁄ 86 400 средних солнечных суток.
Где-то в конце 1940-х годов кварцевые часы с рабочей частотой ~100 кГц стали показывать время с точностью лучше, чем 1 часть из 10 8 за рабочий период в сутки. Стало очевидно, что консенсус таких часов показывает время лучше, чем вращение Земли. Метрологи также знали, что орбита Земли вокруг Солнца (год) намного стабильнее, чем вращение Земли. Это привело к предложениям еще в 1950 году определять секунду как часть года.
Движение Земли было описано в «Таблицах Солнца» Ньюкомба (1895), в которых была предложена формула для оценки движения Солнца относительно эпохи 1900 года на основе астрономических наблюдений, проведенных между 1750 и 1892 годами. [12] Это привело к принятию шкалы эфемеридного времени , выраженной в единицах сидерического года в ту эпоху, Международным астрономическим союзом в 1952 году. [13] Эта экстраполированная шкала времени приводит наблюдаемые положения небесных тел в соответствие с ньютоновскими динамическими теориями их движения. [12] В 1955 году тропический год , считавшийся более фундаментальным, чем сидерический год, был выбран Международным астрономическим союзом в качестве единицы времени. Тропический год в определении не измерялся, а рассчитывался по формуле, описывающей средний тропический год, который линейно уменьшался со временем.
В 1956 году секунда была переопределена в терминах года относительно той эпохи . Таким образом, секунда была определена как «доля 1 ⁄ 31,556,925.9747 тропического года для 1900 января 0 года в 12 часов эфемеридного времени». [12] Это определение было принято как часть Международной системы единиц в 1960 году. [14]
Даже лучшие механические, электромоторизованные и кварцевые часы развивают отклонения от условий окружающей среды; гораздо лучше для хронометража естественная и точная «вибрация» в возбужденном атоме. Частота вибрации (т. е. излучения) очень специфична в зависимости от типа атома и того, как он возбуждается. [15] С 1967 года секунда была определена как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 ». Эта длина секунды была выбрана так, чтобы точно соответствовать длине эфемеридной секунды, определенной ранее. Атомные часы используют такую частоту для измерения секунд путем подсчета циклов в секунду на этой частоте. Излучение такого рода является одним из самых стабильных и воспроизводимых явлений природы. Текущее поколение атомных часов имеет точность в пределах одной секунды за несколько сотен миллионов лет. С 1967 года были разработаны атомные часы на основе атомов, отличных от цезия-133, с повышенной точностью в 100 раз. Поэтому планируется новое определение секунды. [16]
Атомные часы теперь устанавливают длительность секунды и стандарт времени для всего мира. [4] : 231–232
В 2022 году лучшая реализация секунды будет сделана с помощью цезиевых первичных стандартных часов, таких как IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 или SYRTE-FO2. Эти часы работают путем лазерного охлаждения облака атомов Cs до микрокельвина в магнитооптической ловушке. Затем эти холодные атомы запускаются вертикально лазерным светом. Затем атомы подвергаются возбуждению Рамсея в микроволновой полости. Затем фракция возбужденных атомов обнаруживается лазерными лучами. Эти часы имеют5 × 10 −16 систематическая неопределенность, что эквивалентно 50 пикосекундам в день. Система из нескольких фонтанов по всему миру вносит вклад в Международное атомное время. Эти цезиевые часы также лежат в основе оптических измерений частоты.
Оптические часы основаны на запрещенных оптических переходах в ионах или атомах. Они имеют частоты около10 15 Гц , с естественной шириной линии , как правило, 1 Гц, поэтому добротность составляет около10 15 или даже выше. Они имеют лучшую стабильность, чем микроволновые часы, что означает, что они могут облегчить оценку более низких неопределенностей. Они также имеют лучшее временное разрешение, что означает, что часы «тикают» быстрее. [17] Оптические часы используют либо один ион, либо оптическую решетку с10 4 –106 атомов .
Определение, основанное на постоянной Ридберга, подразумевает фиксацию значения на определенном значении: . Постоянная Ридберга описывает уровни энергии в атоме водорода с нерелятивистским приближением .
Единственный жизнеспособный способ исправить постоянную Ридберга – это захватить и охладить водород. Это сложно, потому что он очень легкий, а атомы движутся очень быстро, вызывая доплеровские сдвиги. Излучение, необходимое для охлаждения водорода –121,5 нм – также сложно. Другое препятствие связано с улучшением неопределенности в расчетах QED, в частности, сдвига Лэмба в переходе 1s-2s атома водорода. [18]
Переопределение должно включать улучшенную надежность оптических часов. TAI должен быть дополнен оптическими часами до того, как BIPM утвердит переопределение. Должен быть разработан последовательный метод отправки сигналов до того, как секунда будет переопределена, например, волоконная оптика. [18]
Префиксы СИ обычно используются для времен короче одной секунды, но редко для кратных секунд. Вместо этого, некоторые не-СИ единицы разрешены для использования с СИ : минуты , часы , дни и в астрономии юлианские годы . [19]
... определенное эфемеридное время ... [было] принято
Международным астрономическим союзом
в сентябре 1952 года.
