Druga - Second

druga
Zegar-wahadło.gif
Wahadło rządzone spływających z zegarem, zaznaczając każdą sekundę
Informacje ogólne
System jednostkowy Jednostka podstawowa SI
Jednostką Czas
Symbol s

Sekund (symbol: s , skrót: sek ) jest stacja bazowa od czasu w międzynarodowym układzie jednostek (SI) ( francuski : Systeme International D unités ), powszechnie rozumiane i tradycyjnie definiowany jako 1 / 86400 z dnia - tę czynnik wynikający z podziału dnia najpierw na 24 godziny , potem na 60 minut, a na końcu na 60 sekund. Zegary analogowe i zegarki często mają na tarczach sześćdziesiąt znaczników reprezentujących sekundy (i minuty) oraz „drugą wskazówkę”, która oznacza upływ czasu w sekundach. Zegary cyfrowe i zegarki często mają dwucyfrowy licznik sekund. Sekunda jest również częścią kilku innych jednostek miary, takich jak metry na sekundę dla prędkości , metry na sekundę dla przyspieszenia i cykle na sekundę dla częstotliwości .

Chociaż historyczna definicja jednostki została oparta na tym podziale cyklu obrotu Ziemi, formalna definicja w Międzynarodowym Układzie Jednostek ( SI ) jest znacznie stabilniejszym chronometrażystą:

Drugi definiuje się jako równy czasowi trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami podstawowego niezaburzonego stanu podstawowego atomu cezu-133 .

Ponieważ obrót Ziemi zmienia się, a także nieznacznie spowalnia, do czasu zegara dodawana jest w nieregularnych odstępach sekunda przestępna, aby zegary były zsynchronizowane z ruchem obrotowym Ziemi.

Wielokrotności sekund są zwykle liczone w godzinach i minutach. Ułamki sekundy są zwykle liczone w dziesiątych lub setnych. W pracy naukowej małe ułamki sekundy są liczone w milisekundach (tysięcznych), mikrosekundach (milionowych), nanosekundach (miliardowych), a czasem w mniejszych jednostkach sekundy. Codzienne doświadczenie z małymi ułamkami sekundy to 1-gigahercowy mikroprocesor, którego czas cyklu wynosi 1 nanosekundę. Aparat szybkości migawki są często wyrażane w ułamku sekundy, na przykład 1 / 30 sekund lub 1 / 1000 sekund.

Sześćdziesiątkowe podziały dnia z kalendarza opartego na obserwacji astronomicznej istniały od trzeciego tysiąclecia pne, choć nie były to sekundy, jakie znamy dzisiaj. Małych podziałów czasu nie można było wtedy zmierzyć, więc takie podziały zostały wyprowadzone matematycznie. Pierwszymi chronometrażerami, którzy potrafili dokładnie liczyć sekundy, były zegary wahadłowe wynalezione w XVII wieku. Począwszy od lat pięćdziesiątych, zegary atomowe stały się lepszymi chronometrażerami niż obrót Ziemi i nadal wyznaczają standardy do dziś.

Zegary i czas słoneczny

Zegar mechaniczny, który nie jest zależny od pomiaru względnego położenia obrotowego Ziemi, utrzymuje jednolity czas zwany czasem średnim , z dowolną dokładnością, która jest z nim związana. Oznacza to, że każda sekunda, minuta i każdy inny dział czasu liczony przez zegar będzie trwał tak samo, jak każdy inny identyczny dział czasu. Ale zegar słoneczny, który mierzy względną pozycję słońca na niebie, zwany czasem pozornym , nie zachowuje jednolitego czasu. Czas utrzymywany przez zegar słoneczny różni się w zależności od pory roku, co oznacza, że ​​sekundy, minuty i każdy inny podział czasu to różny czas trwania w różnych porach roku. Pora dnia mierzona czasem średnim w stosunku do czasu pozornego może różnić się nawet o 15 minut, ale jeden dzień będzie różnił się od następnego tylko w niewielkim stopniu; 15 minut to skumulowana różnica w ciągu części roku. Efekt ten jest spowodowany głównie nachyleniem osi Ziemi w stosunku do jej orbity wokół Słońca.

Różnica między pozornym czasem słonecznym a czasem średnim była dostrzegana przez astronomów od starożytności, ale przed wynalezieniem dokładnych zegarów mechanicznych w połowie XVII wieku zegary słoneczne były jedynymi niezawodnymi zegarkami, a pozorny czas słoneczny był jedynym ogólnie akceptowanym standardem.

Zdarzenia i jednostki czasu w sekundach

Ułamki sekundy są zwykle oznaczane w notacji dziesiętnej, na przykład 2,01 sekundy lub dwie i setne sekundy. Wielokrotności sekund są zwykle wyrażane jako minuty i sekundy lub godziny, minuty i sekundy czasu zegarowego, oddzielone dwukropkami, np. 11:23:24 lub 45:23 (ten ostatni zapis może powodować niejednoznaczność, ponieważ ten sam notacja służy do oznaczania godzin i minut). Rzadko ma sens wyrażanie dłuższych okresów czasu, takich jak godziny lub dni, w sekundach, ponieważ są to niezręcznie duże liczby. W przypadku metrycznej jednostki sekundy istnieją przedrostki dziesiętne reprezentujące od 10 do 24 do 10 24 sekund.

Niektóre typowe jednostki czasu w sekundach to: minuta to 60 sekund; godzina to 3600 sekund; dzień to 86 400 sekund; tydzień to 604,800 sekund; rok (inny niż lata przestępne ) wynosi 31 536 000 sekund; a wiek ( gregoriański ) trwa średnio 3 155 695 200 sekund; ze wszystkimi powyższymi wykluczającymi wszelkie możliwe sekundy przestępne .

Niektóre typowe zdarzenia w ciągu kilku sekund to: kamień spada około 4,9 metra z miejsca spoczynku w ciągu jednej sekundy; wahadło o długości około jednego metra ma wahadło o jedną sekundę, więc zegary wahadłowe mają wahadło o długości około metra; najszybsi sprinterzy biegną 10 metrów na sekundę; fala oceaniczna w głębokiej wodzie przemieszcza się około 23 metrów w ciągu jednej sekundy; dźwięk przemieszcza się w powietrzu około 343 metrów w ciągu jednej sekundy; światło potrzebuje 1,3 sekundy, aby dotrzeć do Ziemi z powierzchni Księżyca, na odległość 384 400 kilometrów.

Inne jednostki zawierające sekundy

Sekunda jest częścią innych jednostek, takich jak częstotliwość mierzona w hercach (odwrotność sekund lub sekunda -1 ), prędkość (metry na sekundę) i przyspieszenie (metry na sekundę do kwadratu). Bekerel, miara rozpadu radioaktywnego, jest mierzony w odwrotnych sekundach. Miernik jest definiowany w kategoriach prędkości światła i sekundy; definicje podstawowych jednostek metrycznych: kilogram, amper, kelwin i kandela również zależą od drugiego. Jedyną podstawową jednostką, której definicja nie zależy od drugiej, jest kret. Z 22 nazwanych jednostek pochodnych SI tylko dwie (radiany i steradiany) nie zależą od drugiej. Wiele jednostek pochodnych dla rzeczy codziennych jest zgłaszanych w postaci większych jednostek czasu, a nie sekund, takich jak czas zegarowy w godzinach i minutach, prędkość samochodu w kilometrach na godzinę lub milach na godzinę, kilowatogodziny zużycia energii elektrycznej i prędkość gramofon w obrotach na minutę.

Standardy pomiaru czasu

Zestaw zegarów atomowych na całym świecie mierzy czas według konsensusu: zegary „głosują” na właściwy czas, a wszystkie zegary głosujące są sterowane tak, aby zgadzały się z konsensusem, który nazywa się Międzynarodowym Czasem Atomowym (TAI). TAI „tyka” atomowe sekundy.

Czas cywilny jest zdefiniowany tak, aby zgadzał się z ruchem obrotowym Ziemi. Międzynarodowym standardem pomiaru czasu jest uniwersalny czas koordynowany (UTC). Ta skala czasowa "tyka" te same sekundy atomowe co TAI, ale w razie potrzeby dodaje lub pomija sekundy przestępne, aby skorygować zmiany w szybkości obrotu Ziemi.

Skala czasu, w której sekundy nie są dokładnie równe sekundom atomowym, to UT1, forma czasu uniwersalnego . UT1 jest definiowany przez obrót Ziemi względem Słońca i nie zawiera sekund przestępnych. UT1 zawsze różni się od UTC o mniej niż sekundę.

Optyczny zegar siatkowy

Chociaż nie są one jeszcze częścią żadnego standardu pomiaru czasu, obecnie istnieją optyczne zegary siatkowe z częstotliwościami w widmie światła widzialnego i są najdokładniejszymi ze wszystkich chronometrażystów. Stront zegar o częstotliwości 430  THz , w czerwonym zakresie światła widzialnego, teraz rekord dokładności: będzie zyskać lub stracić mniej niż sekundę na 15 miliardów lat, czyli dłużej niż szacowany wiek wszechświata. Taki zegar może mierzyć zmianę wysokości nawet o 2 cm na podstawie zmiany szybkości spowodowanej grawitacyjną dylatacją czasu .

Historia definicji

Istniały tylko trzy definicje sekundy: jako ułamek dnia, jako ułamek ekstrapolowanego roku i jako częstotliwość mikrofalowa cezowego zegara atomowego. kalendarze.

Sześćdziesiątkowe podziały czasu i dnia kalendarzowego

Cywilizacje w okresie klasycznym i wcześniej tworzone podziały kalendarza oraz łuki wykorzystujące sześćdziesiętny system liczenia, więc w tamtym czasie sekunda była sześćdziesiętnym podziałem dnia (sekunda starożytna  = dzień/60×60), a nie godziny jak współczesna sekunda (= godzina/60×60). Zegary słoneczne i wodne były jednymi z najwcześniejszych urządzeń do pomiaru czasu, a jednostki czasu mierzono w stopniach łuku. Zastosowano również konceptualne jednostki czasu mniejsze niż możliwe do zrealizowania na zegarach słonecznych.

W pismach filozofów przyrody w średniowieczu znajdują się wzmianki o „drugim” jako części miesiąca księżycowego, które były matematycznymi podpodziałami, których nie można było zmierzyć mechanicznie.

Ułamek słonecznego dnia

Najwcześniejsze zegary mechaniczne, które pojawiły się od XIV wieku, miały wyświetlacze, które dzieliły godzinę na połówki, tercje, ćwiartki, a czasem nawet na 12 części, ale nigdy na 60. W rzeczywistości godzina nie była powszechnie dzielona na 60 minut, ponieważ nie była jednolity w czasie trwania. Dla sędziów mierzących czas nie było praktyczne rozważanie minut, dopóki nie pojawiły się pierwsze zegary mechaniczne, które wyświetlały minuty pod koniec XVI wieku. Zegary mechaniczne podawały czas średni , w przeciwieństwie do czasu pozornego wyświetlanego przez zegary słoneczne . W tym czasie w Europie dobrze utrwaliły się sześćdziesiątkowe podziały czasu.

Najwcześniejsze zegary wyświetlające sekundy pojawiły się w drugiej połowie XVI wieku. Drugi stał się dokładnie mierzalny wraz z rozwojem zegarów mechanicznych. Najwcześniej wiosną napędzane czasomierz z drugiej strony, które oznaczone jest niepodpisany sekund zegar przedstawiająca Orfeusza w kolekcji Fremersdorf dnia latach 1560 i 1570. W 3 kwartale 16 wieku, Taqi al-Din wbudowany zegar ze znakami każdy 1 /5 minut. W 1579 roku Jost Bürgi zbudował zegar dla Wilhelma Hesji, który oznaczał sekundy. W 1581 roku Tycho Brahe przeprojektował zegary, które w jego obserwatorium wyświetlały tylko minuty, tak aby wyświetlały również sekundy, mimo że te sekundy nie były dokładne. W 1587 Tycho skarżył się, że jego cztery zegary nie zgadzają się o plus minus cztery sekundy.

W 1656 roku holenderski naukowiec Christiaan Huygens wynalazł pierwszy zegar z wahadłem. Miała długość wahadła wynoszącą niecały metr, co dawała jej wahadło jednosekundowe, oraz wychwyt, który tykał co sekundę. Był to pierwszy zegar, który potrafił dokładnie odmierzać czas w sekundach. W latach trzydziestych XVIII wieku, 80 lat później, chronometry morskie Johna Harrisona mogły mierzyć czas z dokładnością do jednej sekundy na 100 dni.

W 1832 roku Gauss zaproponował użycie sekundy jako podstawowej jednostki czasu w swoim układzie jednostek milimetr-miligram-sekunda . British Association for Advancement of Science (BAAS) w 1862 roku stwierdził, że „wszyscy ludzie nauki są uzgadniane używać sekundę średniego czasu słonecznego jako jednostkę czasu.” BAAS formalnie zaproponował system CGS w 1874 roku, chociaż system ten był stopniowo zastępowany w ciągu następnych 70 lat przez jednostki MKS . Zarówno systemy CGS, jak i MKS wykorzystywały tę samą sekundę jako podstawową jednostkę czasu. MKS został przyjęty w skali międzynarodowej w latach 1940, definiując drugi jako 1 / 86,400 w średnim dnia słonecznego.

Ułamek efemerydy roku

Jakiś czas pod koniec 1940 roku, kwarcowe zegary oscylator kwarcowy o częstotliwości pracy 100 kHz ~ zaawansowane utrzymać czasu z dokładnością lepszą niż 1 część na 10 8 w fazie pracy dnia. Stało się jasne, że konsensus takich zegarów utrzymuje lepszy czas niż obrót Ziemi. Metrologowie wiedzieli również, że orbita Ziemi wokół Słońca (rok) była znacznie bardziej stabilna niż obrót Ziemi. Doprowadziło to do propozycji już w 1950 roku, aby określić drugi jako ułamek roku.

Ruch Ziemi został opisany w Newcomb's Tables of the Sun (1895), która dostarczyła formuły do ​​oszacowania ruchu Słońca względem epoki 1900 na podstawie obserwacji astronomicznych przeprowadzonych w latach 1750-1892. Spowodowało to przyjęcie efemerydowej skali czasowej wyrażona w jednostkach roku gwiezdnego w tej epoce przez IAU w 1952 roku. Ta ekstrapolowana skala czasu harmonizuje obserwowane pozycje ciał niebieskich z newtonowskimi teoriami dynamicznymi ich ruchu. W 1955 roku IAU wybrał rok tropikalny , uważany za bardziej fundamentalny niż rok syderyczny, jako jednostkę czasu. Rok tropikalny w definicji nie był mierzony, ale obliczany na podstawie wzoru opisującego średni rok tropikalny, który zmniejszał się liniowo w czasie.

W 1956 r. druga została przedefiniowana pod względem roku w stosunku do tamtej epoki . Druga została zatem zdefiniowana jako „ułamek 1 ⁄ 31 556 925,9747 roku tropikalnego na rok 1900 0 stycznia w 12-godzinnym czasie efemerycznym”. Ta definicja została przyjęta jako część Międzynarodowego Układu Jednostek w 1960 roku.

„Atomowy” drugi

Ale nawet najlepsze zegary mechaniczne, elektryczne i oparte na krysztale kwarcowym wykazują rozbieżności z warunkami środowiskowymi. Znacznie lepsze do pomiaru czasu są naturalne i dokładne „wibracje” w energetyzowanym atomie. Częstotliwość wibracji (tj. promieniowania) jest bardzo specyficzna w zależności od typu atomu i sposobu jego wzbudzenia. Od 1967 r. drugi definiuje się jako dokładnie „czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu-133 ” (w temperaturze 0 K ). Ta długość sekundy została dobrana tak, aby dokładnie odpowiadała długości zdefiniowanej wcześniej sekundy efemerydy. Zegary atomowe wykorzystują taką częstotliwość do mierzenia sekund, zliczając cykle na sekundę przy tej częstotliwości. Promieniowanie tego rodzaju jest jednym z najbardziej stabilnych i odtwarzalnych zjawisk przyrody. Obecna generacja zegarów atomowych jest z dokładnością do jednej sekundy na kilkaset milionów lat.

Zegary atomowe wyznaczają teraz długość sekundy i standard czasu dla świata.

wielokrotności SI

Przedrostki SI są powszechnie używane dla czasów krótszych niż jedna sekunda, ale rzadko dla wielokrotności sekundy. Zamiast tego dozwolone są niektóre jednostki spoza SI : minuty , godziny , dni oraz w astronomii lata juliańskie .

wielokrotności SI dla sekundy (s)
Podwielokrotności Wielokrotności
Wartość Symbol SI Nazwa Wartość Symbol SI Nazwa Czytelny dla człowieka
10 -1 a ds decysekunda 10 1 s daś dekasekunda 10 sekund
10 -2 s cs centysekunda 10 2 s hs hektosekunda 1 minuta 40 sekund
10 -3 s SM milisekunda 10 3 s ks kilosekunda 16 minut 40 sekund
10 -6 s µs mikrosekunda 10 6 s SM megasekunda 11,6 dni
10 -9 s ns nanosekunda 10 9 s Gs gigasekunda 31,7 lat
10 -12 s ps pikosekunda 10 12 e Ts terasekunda 31 700 lat
10 -15 s fs femtosekunda 10 15 s Ps petasekunda 31,7 miliona lat
10 -18 s jak attosekunda 10 18 e Es eksasekunda 31,7 miliarda lat
10 -21 s zs zeptosekunda 10 21 e Zs zettasekunda 31,7 biliona lat
10 -24 s tak yoktosekunda 10 24 s Tak jottasekunda 31,7 biliarda lat

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki