stringtranslate.com

Второй

Вторая (символ: с ) — единица времени в Международной системе единиц (СИ), исторически определяемая как 1 ⁄ 86400 дня — этот коэффициент получен из деления суток сначала на 24 часа , затем на 60 минут. и, наконец, по 60 секунд каждый (24 × 60 × 60 = 86400).

Текущее формальное определение в Международной системе единиц ( СИ ) является более точным:

Второй [...] определяется путем принятия фиксированного численного значения частоты цезия, Δ ν Cs , невозмущенной частоты сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия 133 , равной 9 192 631 770 , выраженной в единицах Гц. , что равно s −1 . [1]

Это нынешнее определение было принято в 1967 году, когда стало возможным определить второе на основе фундаментальных свойств природы с помощью цезиевых часов . [2] Поскольку скорость вращения Земли меняется и незначительно замедляется , к гражданскому времени через нерегулярные промежутки времени добавляется дополнительная секунда [nb 1] , чтобы синхронизировать часы с вращением Земли.

Использование

Аналоговые часы часто имеют на циферблате шестьдесят делений, обозначающих секунды (и минуты), а также «секундную стрелку» , обозначающую течение времени в секундах. Цифровые часы часто имеют двузначный счетчик секунд.

Префиксы SI часто сочетаются со словом секунда для обозначения подразделений секунды: миллисекунды (тысячные доли), микросекунды (миллионные доли), наносекунды (миллиардные доли), а иногда и более мелкие единицы секунды. Кратные секунды обычно считаются часами и минутами. Хотя префиксы СИ также могут использоваться для образования кратных секундам, например, килосекунд (тысяч секунд), такие единицы редко используются на практике. Повседневный опыт с малыми долями секунды — это микропроцессор с частотой 1 гигагерц, время цикла которого составляет 1 наносекунду. Выдержка камеры часто выражается в долях секунды, например , 1/30 секунды или 1/1000 секунды .

Шестидесятеричное деление суток по календарю, основанному на астрономических наблюдениях, существовало с третьего тысячелетия до нашей эры, хотя они не были секундами, какими мы их знаем сегодня. [3] В то время небольшие отрезки времени невозможно было измерить, поэтому такие отрезки были получены математически. Первыми хронометристами, способными точно отсчитывать секунды, были маятниковые часы, изобретенные в 17 веке. Начиная с 1950-х годов атомные часы стали лучше отслеживать время, чем вращение Земли, и продолжают устанавливать стандарты и сегодня.

Часы и солнечное время

Механические часы, которые не зависят от измерения относительного положения Земли, сохраняют единое время, называемое средним временем , с той точностью, которая им присуща. Это означает, что каждая секунда, минута и любое другое деление времени, отсчитываемое часами, будет иметь ту же продолжительность, что и любое другое идентичное деление времени. Но солнечные часы , которые измеряют относительное положение Солнца на небе, называемое видимым временем , не сохраняют равномерное время. Время, отображаемое солнечными часами, варьируется в зависимости от времени года, а это означает, что секунды, минуты и любое другое деление времени имеют разную продолжительность в разное время года. Время суток, измеренное с помощью среднего времени по сравнению с видимым временем, может отличаться на целых 15 минут, но один день будет отличаться от следующего лишь на небольшую величину; 15 минут — это совокупная разница за часть года. Эффект обусловлен главным образом наклоном оси Земли по отношению к ее орбите вокруг Солнца.

Разница между видимым солнечным временем и средним временем признавалась астрономами с античных времен, но до изобретения точных механических часов в середине 17 века солнечные часы были единственными надежными часами, а видимое солнечное время было единственным общепринятым стандартом.

События и единицы времени в секундах

Доли секунды обычно обозначаются в десятичной системе счисления, например 2,01 секунды или две и одна сотая секунды. Кратные секунды обычно выражаются минутами и секундами или часами, минутами и секундами часового времени, разделенными двоеточиями, например 11:23:24 или 45:23 (последнее обозначение может вызвать двусмысленность, поскольку одно и то же обозначения используются для обозначения часов и минут). Редко имеет смысл выражать более длительные периоды времени, например часы или дни, в секундах, поскольку это неуклюже большие числа. Для метрической единицы секунды существуют десятичные префиксы , обозначающие от 10–30 до 10 30 секунд.

Некоторые распространенные единицы времени в секундах: минута — 60 секунд; час — 3600 секунд; сутки — 86 400 секунд; неделя — 604 800 секунд; год (кроме високосных лет ) составляет 31 536 000 секунд; а ( григорианское ) столетие составляет в среднем 3 155 695 200 секунд; со всем вышеперечисленным, исключая любые возможные дополнительные секунды . В астрономии юлианский год равен ровно 31 557 600 секундам.

Вот некоторые типичные события, происходящие за секунды: камень падает с высоты примерно 4,9 метра от состояния покоя за одну секунду; маятник длиной около метра имеет колебание в одну секунду, поэтому в маятниковых часах маятники имеют длину около метра; самые быстрые спринтеры бегут 10 метров за секунду; океанская волна на глубокой воде проходит около 23 метров за одну секунду; звук в воздухе проходит около 343 метров за одну секунду; Свету требуется 1,3 секунды, чтобы достичь Земли с поверхности Луны (расстояние 384 400 километров).

Другие единицы, включающие секунды

Секунда является 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 интегралах смещения , таких как рывок . Хотя многие производные единицы повседневных вещей выражаются в более крупных единицах времени, а не в секундах, в конечном итоге они определяются в единицах секунды СИ; сюда входит время, выраженное в часах и минутах, скорость автомобиля в километрах в час или милях в час, потребление электроэнергии в киловатт-часах и скорость поворотного круга в оборотах в минуту.

Более того, большинство других базовых единиц СИ определяются по их отношению ко второй: метр определяется путем установки скорости света (в вакууме), равной точно 299 792 458 м/с; определения основных единиц СИ килограмм , ампер , кельвин и кандела также зависят от секунды. Единственная основная 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.

Стандарты хронометража

Набор атомных часов по всему миру определяет время на основе консенсуса: часы «голосуют» за правильное время, и все часы для голосования управляются в соответствии с консенсусом, который называется Международным атомным временем (TAI). TAI «тикает» атомные секунды. [4] : 207–218. 

Гражданское время определяется как согласующееся с вращением Земли. Международным стандартом хронометража является Всемирное координированное время (UTC). Эта шкала времени «отмечает» те же атомные секунды, что и TAI, но при необходимости добавляет или опускает дополнительные секунды для поправки на изменения скорости вращения Земли. [4] : 16–17, 207. 

Шкала времени, в которой секунды не совсем равны атомным секундам, — это UT1, форма 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.

Оптические решетчатые часы

Хотя они еще не являются частью какого-либо стандарта хронометража, сейчас существуют часы на оптической решетке с частотами в видимом спектре света, которые являются наиболее точными хронометристами из всех. Стронциевые часы с частотой 430  ТГц , в красном диапазоне видимого света, в 2010-е годы держали рекорд точности: они будут прибавлять или терять менее секунды за 15 миллиардов лет, что больше предполагаемого возраста Вселенной. Такие часы могут измерять изменение высоты всего на 2 см по изменению скорости из-за гравитационного замедления времени . [5]

История определения

Существовало только три определения секунды: как доля суток, как доля экстраполированного года и как микроволновая частота цезиевых атомных часов , каждое из которых реализовывало шестидесятеричное деление суток, исходя из древних астрономических календари.

Шестидесятеричное деление календарного времени и дня.

Цивилизации классического периода и ранее создавали подразделения календаря, а также дуги, используя шестидесятеричную систему счета, поэтому в то время секунда была шестидесятеричным подразделением дня (древняя секунда  = день/60х60), а не часа, как современная секунда (= час/60х60). Солнечные и водяные часы были одними из первых устройств для измерения времени, а единицы времени измерялись в угловых градусах. Также использовались концептуальные единицы времени, меньшие, чем реализуемые на солнечных часах.

В трудах натурфилософов Средневековья есть упоминания о «втором» как части лунного месяца, которые представляли собой математические подразделения, которые нельзя было измерить механически. [номер 2] [номер 3]

Доля солнечного дня

Самые ранние механические часы, появившиеся начиная с XIV века, имели дисплеи, которые делили час на половины, трети, четверти, а иногда даже на 12 частей, но никогда на 60. На самом деле час обычно не делился на 60 минут, как это было раньше. не был равномерным по продолжительности. Хронометристам было непрактично считать минуты до тех пор, пока в конце 16 века не появились первые механические часы, показывающие минуты. Механические часы показывали среднее время , в отличие от видимого времени , отображаемого солнечными часами . К тому времени в Европе уже прочно утвердилось шестидесятеричное деление времени. [номер 4]

Первые часы с отображением секунд появились во второй половине 16 века. Второе стало можно точно измерить с развитием механических часов. Самые ранние часы с пружинным приводом и секундной стрелкой, отсчитывающей секунды, - это неподписанные часы с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датированные 1560–1570 годами . [8] : 417–418  [9] В 3-й четверти 16 века Таки Ад-Дин построил часы с отметками каждые 1/5 минуты. [10] В 1579 году Йост Бюрги построил для Вильгельма Гессенского часы , которые отсчитывали секунды. [8] : 105  В 1581 году Тихо Браге перепроектировал часы, которые в его обсерватории показывали только минуты, так, чтобы они также отображали секунды, хотя эти секунды были неточными. В 1587 году Тихо пожаловался, что его четыре часа расходятся на плюс-минус четыре секунды. [8] : 104 

В 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изобрел первые маятниковые часы. У него был маятник длиной чуть менее метра, обеспечивающий его 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 в течение следующих 70 лет эта система постепенно была заменена единицами MKS . И системы CGS, и MKS использовали одну и ту же секунду в качестве базовой единицы времени. MKS был принят на международном уровне в 1940-х годах, определяя секунду как 1 ⁄ 86 400 среднего солнечного дня.

Часть эфемеридного года

Где-то в конце 1940-х годов появились часы с кварцевым генератором с рабочей частотой ~ 100 кГц, позволяющие сохранять время с точностью лучше, чем 1 часть из 10 8 в течение рабочего периода дня. Стало очевидным, что согласованное использование таких часов показывает лучшее время, чем вращение Земли. Метрологи также знали, что орбита Земли вокруг Солнца (год) была гораздо более стабильной, чем вращение Земли. Это привело к тому, что еще в 1950 году были предложены определить секунду как долю года.

Движение Земли было описано в «Таблицах Солнца» Ньюкомба (1895 г.), в которых была представлена ​​формула для оценки движения Солнца относительно эпохи 1900 г. на основе астрономических наблюдений, сделанных между 1750 и 1892 гг. [12] Это привело к принятию шкала времени эфемерид , выраженная МАС в 1952 году в единицах сидерического года в ту эпоху. [13] Эта экстраполированная шкала времени приводит наблюдаемые положения небесных тел в соответствие с ньютоновскими динамическими теориями их движения. [12] В 1955 году МАС выбрал тропический год , считавшийся более фундаментальным, чем сидерический год, в качестве единицы времени. Тропический год в определении не измерялся, а рассчитывался по формуле, описывающей средний тропический год, который линейно уменьшался с течением времени.

В 1956 году секунда была переопределена в единицах года относительно этой эпохи . Таким образом, секунда была определена как «доля 1 ⁄ 31 556 925,9747 тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемеридного времени». [12] Это определение было принято как часть Международной системы единиц в 1960 году. [14]

Атомное определение

Даже лучшие механические, электрические и кварцевые часы имеют отклонения от условий окружающей среды; Гораздо лучше для измерения времени является естественная и точная «вибрация» атома, находящегося под напряжением. Частота вибрации (т. е. излучения) весьма специфична и зависит от типа атома и способа его возбуждения. [15] С 1967 года секунда определялась 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 — одно из наиболее устойчивых и воспроизводимых явлений природы. Нынешнее поколение атомных часов имеет точность до одной секунды за несколько сотен миллионов лет. С 1967 года атомные часы на основе атомов, отличных от цезия-133, разрабатываются с повышенной точностью в 100 раз. Поэтому планируется новое определение секунды. [16]

Атомные часы теперь определяют длину секунды и мировой стандарт времени . [4] : 231–232. 

Стол

Будущее переопределение

В 2022 году лучшая реализация второго достигается с помощью часов на основе первичного эталона цезия, 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. Эти холодные атомы затем запускаются вертикально лазерным светом. Затем атомы подвергаются Рамзеевскому возбуждению в микроволновом резонаторе. Затем фракция возбужденных атомов детектируется лазерными лучами. Эти часы имеютСистематическая неопределенность 5 × 10 −16 , что эквивалентно 50 пикосекундам в день. Система нескольких фонтанов по всему миру способствует Международному атомному времени. Эти цезиевые часы также лежат в основе измерений оптических частот.

Оптические часы основаны на запрещенных оптических переходах в ионах или атомах. У них есть частоты около10 15  Гц , с естественной шириной линии обычно 1 Гц, поэтому добротность составляет около10 15 или даже выше. Они имеют лучшую стабильность, чем микроволновые часы, а это означает, что они могут облегчить оценку меньших неопределенностей. У них также лучшее разрешение времени, а это значит, что часы «тикают» быстрее. [17] В оптических часах используется либо один ион, либо оптическая решетка с10 4 –10 6 атомов.

постоянная Ридберга

Определение, основанное на константе Ридберга , предполагает привязку значения к определенному значению: . Константа Ридберга описывает уровни энергии в атоме водорода в нерелятивистском приближении .

Единственный реальный способ исправить константу Ридберга — это улавливать и охлаждать водород. Это сложно, потому что он очень легкий, а атомы движутся очень быстро, вызывая доплеровские сдвиги. Радиация, необходимая для охлаждения водорода –121,5 нм – тоже сложно. Еще одним препятствием является повышение неопределенности в расчетах КЭД, в частности, лэмбовского сдвига при переходе 1s-2s атома водорода. [18]

Требования

Новое определение должно включать повышение надежности оптических часов. TAI должен быть дополнен оптическими часами, прежде чем BIPM подтвердит новое определение. Прежде чем будет переопределен второй метод, необходимо разработать последовательный метод отправки сигналов, например оптоволокно. [18]

кратные СИ

Префиксы SI обычно используются для времен короче одной секунды, но редко для кратных секунде. Вместо этого в системе СИ разрешено использовать некоторые единицы, не входящие в систему СИ : минуты , часы , дни и в астрономии юлианские годы . [19]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Гражданское время прямо или косвенно установлено по всемирному координированному времени , которое включает дополнительные секунды. В научных и технических областях используются другие шкалы времени, которые не содержат дополнительных секунд.
  2. ↑ В 1000 году персидский учёный аль-Бируни , писавший по-арабски, использовал термин « секунда» и определил разделение времени между новолуниями в определённые недели как количество дней, часов, минут, секунд, третьих и четвертых после полдень воскресенья. [6]
  3. ↑ В 1267 году средневековый английский учёный Роджер Бэкон , писавший на латыни, определил разделение времени между полнолуниями как количество часов, минут, секунд, третей и четвёртых ( horae , minuta , secunda , tertia и quarta ) после полдень определенных календарных дат. [7]
  4. ^ Следует отметить, что 60 — это наименьшее кратное первых шести чисел. Таким образом, часы с 60 делениями будут иметь отметку для третей, четвертых, пятых, шестых и двенадцатых долей (часов); в каких бы единицах измерения ни были часы, они будут иметь отметки.

Рекомендации

  1. ^ «Брошюра SI (2019)» (PDF) . Брошюра СИ . БИПМ . п. 130. Архивировано (PDF) из оригинала 23 мая 2019 года . Проверено 23 мая 2019 г.
  2. ^ Гилл, Патрик (28 октября 2011 г.). «Когда нам следует изменить определение секунды?». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 369 (1953): 4109–4130. Бибкод : 2011RSPTA.369.4109G. дои : 10.1098/rsta.2011.0237 . PMID  21930568. S2CID  6896025.
  3. ^ «математика - Древние математические источники». Британская энциклопедия . Проверено 20 сентября 2021 г.
  4. ^ abcd Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). Время: от вращения Земли до атомной физики . Вайнхайм: Уайли.
  5. ↑ Винсент, Джеймс (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо созданные, отстают всего на одну секунду каждые 15 миллиардов лет». TheVerge . Архивировано из оригинала 27 января 2018 года . Проверено 26 января 2018 г.
  6. ^ Аль-Бируни (1879) [1000]. Хронология древних народов. Перевод Сахау, К. Эдварда. стр. 147–149. Архивировано из оригинала 16 сентября 2019 года . Проверено 23 февраля 2016 г.
  7. ^ Бэкон, Роджер (2000) [1267]. Opus Majus Роджера Бэкона . перевод Роберта Белль Берк. Издательство Пенсильванского университета . Стол напротив страницы 231. ISBN 978-1-85506-856-8.
  8. ^ abc Ландес, Дэвид С. (1983). Революция во времени . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0-674-76802-7.
  9. ^ Уиллсбергер, Иоганн (1975). Часы и часы . Нью-Йорк: Дайал Пресс. ISBN 0-8037-4475-7.полностраничная цветная фотография: 4-я страница с подписями, 3-я фотография после нее (ни страницы, ни фотографии не нумеруются).
  10. ↑ Селин, Хелейн (31 июля 1997 г.). Энциклопедия истории науки, технологий и медицины в незападных культурах. Springer Science & Business Media. п. 934. ИСБН 978-0-7923-4066-9. Архивировано из оригинала 20 ноября 2016 года . Проверено 23 февраля 2016 г.
  11. ^ Дженкин, Генри Чарльз Флиминг , изд. (1873). Отчеты комитета по электротехническим стандартам. Британская ассоциация содействия развитию науки. п. 90. Архивировано из оригинала 20 ноября 2016 года . Проверено 23 февраля 2016 г.
  12. ^ abc «Високосные секунды». Департамент службы времени, Военно-морская обсерватория США . Архивировано из оригинала 12 марта 2015 года . Проверено 22 ноября 2015 г.
  13. ^ Управления морских альманахов Соединенного Королевства и Соединенных Штатов Америки (1961), Пояснительное приложение к астрономическим эфемеридам и американским эфемеридам и морскому альманаху, стр. 9, ... определенное эфемеридное время ... [было] принято Международным астрономическим союзом в сентябре 1952 года.
  14. ^ «Брошюра SI (2006)» (PDF) . Брошюра SI, 8-е издание . БИПМ . п. 112. Архивировано (PDF) из оригинала 3 мая 2019 года . Проверено 23 мая 2019 г.
  15. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). «Определение и роль секунды». Время: от вращения Земли до атомной физики . Вайнхайм: Уайли.
  16. ^ Проекты резолюций 27-й Генеральной конференции по мерам и весам в ноябре 2022 г., раздел E, стр. 25
  17. ^ Национальная физическая лаборатория (2011). «Когда нам следует изменить определение секунды?». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 369 (1953): 4109–4130. Бибкод : 2011RSPTA.369.4109G. дои : 10.1098/rsta.2011.0237. PMID  21930568. S2CID  6896025.
  18. ↑ Аб Гилл, Патрик (28 октября 2011 г.). «Когда нам следует изменить определение секунды?». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 369 (1953): 4109–4130. Бибкод : 2011RSPTA.369.4109G. дои : 10.1098/rsta.2011.0237 . PMID  21930568. S2CID  6896025.
  19. ^ Международный астрономический союз. «Рекомендации по подразделениям». Архивировано из оригинала 16 февраля 2007 года . Проверено 18 февраля 2007 г.Перепечатано из «Руководства по стилю IAU» Г.А. Уилкинсона, Comm. 5, в IAU Transactions XXB (1987).

Внешние ссылки

Найдите второе слово в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы по теме Second.