Секунда

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Мигание серого сигнала происходит приблизительно раз в секунду.

Секу́нда (русское обозначение: с; международное: s) — единица измерения времени, одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ) и системы СГС.

Представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями. Это определение было принято в 1967 году (уточнение относительно температуры и состояния покоя появилось в 1997 году). Точный текст определения секунды, утверждённого на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967), Резолюция I, таков[1][2]:

Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

В 1965 году, на XII Генеральной конференции по мерам и весам, а также Международным комитетом мер и весов было временно принято определение секунды, основанное на атомном стандарте частоты. В декларации Международного комитета по мерам и весам было сказано[1], что эталон секунды:

… представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3, M = 0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 герц.

Термин заимствован в XVIII веке из латыни, где «secunda» — сокращение выражения «pars minuta secunda» — «часть мелкая вторая» (часа), в отличие от «pars minuta prima» — «часть мелкая первая» (часа).

Кратные и дольные единицы[править | править вики-текст]

С единицей измерения «секунда», как правило, используются только дольные приставки СИ (кроме деци- и санти-). Для измерения больших интервалов времени используются единицы минута, час, сутки, и т. д.

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
101 с декасекунда дас das 10−1 с децисекунда дс ds
102 с гектосекунда гс hs 10−2 с сантисекунда сс cs
103 с килосекунда кс ks 10−3 с миллисекунда мс ms
106 с мегасекунда Мс Ms 10−6 с микросекунда мкс µs
109 с гигасекунда Гс Gs 10−9 с наносекунда нс ns
1012 с терасекунда Тс Ts 10−12 с пикосекунда пс ps
1015 с петасекунда Пс Ps 10−15 с фемтосекунда фс fs
1018 с эксасекунда Эс Es 10−18 с аттосекунда ас as
1021 с зеттасекунда Зс Zs 10−21 с зептосекунда зс zs
1024 с иоттасекунда Ис Ys 10−24 с иоктосекунда ис ys
     применять не рекомендуется      не применяются или редко применяются на практике

Эквивалентность другим единицам измерения времени[править | править вики-текст]

1 секунда равна:

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Слово секунда происходит от латинского словосочетания secunda divisio[3]. Это означает второе деление часашестидесятиричной системе счисления).

История определений секунды[править | править вики-текст]

Перед появлением механических часов[править | править вики-текст]

Жители Древнего Египта делили дневную и ночную половины суток каждую на двенадцать часов уже, по крайней мере, с двухтысячного года до нашей эры. В силу разных длительностей ночного и дневного периодов в разное время года продолжительность египетского часа была величиной переменной. Греческие астрономы периода эллинистической Греции Гиппарх (ок. 190 до н. э. — ок. 120 до н. э.) и Птолемей (ок. 87 — ок. 65) делили день на основе шестидесятеричной системы счисления и также использовали усреднённый час ((124 суток), простые доли часа (14, 23, и т. п.) и время-градусы (1360 суток или четыре современные минуты), но не современные минуты или секунды[4].

В Вавилонии после 300 года до нашей эры день делился шестидесятирично, то есть на 160, полученный отрезок ещё на 160, потом ещё раз на 160 и так далее до, по крайней мере, шести разрядов после шестидесятиричного разделителя (что давало точность больше двух современных микросекунд). Например, для длительности их года использовалась шестиразрядное дробное число от длительности одного дня, хотя они были не в состоянии измерить столь малый промежуток физически. Ещё одним примером может служить определённая ими длительность синодического месяца, которая составила 29;31,50,8,20 дня (четыре дробных шестидесятиричных разрядов), что было повторено Гипархом и Птолемеем, и что является ныне продолжительностью среднего синодического месяца в еврейском календаре, хотя и исчисляемого как 29 дней 12 часов и 793 хелека (где 1080 хелека составляют 1 час)[5]. Вавилоняне не использовали единицу времени «час», вместо этого использовался двойной час длительностью 120 современных минут, а также время-градус длительностью четыре минуты и «третья часть» длительностью 313 современных секунды (хелек в современной еврейском календаре)[6], но эти меньшие единицы они уже не делили. Ни одна из шестидесятиричных частей дня никогда не использовалась как независимая единица времени.

В 1000 году персидский учёный Аль-Бируни (9731048) определил времена полнолуний для конкретных недель через количество дней, часов, минут, секунд, третей и четвертей отсчитывая от полудня воскресенья[7]. В 1267 году английский философ и естествоиспытатель времён Средневековья Роджер Бэкон (ок. 12141292) установил временные промежутки между полнолуниями через количество часов, минут, секунд, третей и четвертей (horae, minuta, secunda, tertia, and quarta) после полудня определённых дней[8]. Терция, «треть», в значении «третье деление часа» существует для обозначения 160 секунды и сейчас в некоторых языках, (например, польск. tercja, тур. salise), однако эта единица является малоиспользуемой, и мелкие периоды времени выражаются десятичными долями секунды (тысячными, миллионными и т. д.).

Секунды во времена механических часов[править | править вики-текст]

Самые ранние часы, которые могли показывать секунды, появились в конце второй половины шестнадцатого столетия. Первым известным экземпляром пружинных часов с секундной стрелкой являются часы неизвестного мастера с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датированные между 15601570 годами[9]:417–418[10]. В течение третьей четверти шестнадцатого столетия османский энциклопедист Таки ад-Дин Мухаммад ибн Маруф (англ. Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf) (15261585) создаёт часы с отметками каждую 1/5 минуты[11]. В 1579 году швейцарский часовщик и приборостроитель Йост Бюрги (15521632) конструирует часы для ландграфа Вильгельма IV, которые показывали секунды[9]:105. В 1581 году датский учёный эпохи Возрождения Тихо Браге (15461601) переконструировал часы в своей обсерватории, которые показывали минуты, так, чтобы они стали показывать и секунды. Однако, механизм ещё не был достаточно проработан, чтобы отмерять секунды с приемлемой точностью. В 1587 году Тихо Браге выказывал досаду, что показания его четырёх часов разнятся друг от друга плюс-минус на четыре секунды[9]:104.

Отмерять секунды с достаточной точностью стало возможно с изобретением механических часов позволяющих поддерживать «среднее время» (в противоположность «относительному времени» показываемому солнечными часами). В 1644 году французский математик Марен Мерсенн (15881648) рассчитал, что маятник с длиной 39,1 дюйма (0,994 метра) будет иметь период колебаний при стандартной гравитации (англ. Standard gravity) точно 2 секунды — одну секунду на движение вперёд и одну секунду на движение обратно, позволяя отсчитывать таким образом точные секунды.

В 1670 году лондонский часовщик Уильям Клемент добавил такой секундный маятник (англ. Seconds pendulum) к исходным маятниковым часам Христиана Гюйгенса[12]. С 1670 по 1680 год Клемент несколько раз подвергал свой механизм усовершенствованию, после чего представил сделанный им часовой шкаф общественности. В этих часах был применён механизм анкерного спуска (англ. Anchor escapement) с секундным маятником, показывающим секунды на небольшом вспомогательном циферблате. Этот механизм требовал меньших затрат энергии благодаря меньшему трению и был достаточно точен, чтобы отмерять секунды как одну шестидесятую часть минуты, чем ранее применявшаяся конструкция штыревого спускового механизма (англ. Verge escapement). В течение нескольких лет производство подобных часов было освоено английскими часовщиками, а затем распространилось и в другие страны. Таким образом, с этих пор появилась возможность с надлежащей точностью отмерять секунды.

Современные измерения[править | править вики-текст]

Как единица времени, секунда (в том значении, что час делится на 60 два раза, первый раз получаются минуты, во второй раз (second) — секунды) вошла в английский язык в конце 16 века, примерно за сто лет перед тем, как она была с достаточной точностью измерена. Учёные и исследователи, писавшие на латыни, такие, например, как Роджер Бэкон, Тихо Браге и Иоганн Кеплер, использовали латинский термин secunda с тем же самым значением, начиная ещё с 1200-х годов.

В 1832 году немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (17771855) предложил использовать секунду в качестве базовой единицы времени в своей системе единиц, использующей наряду с секундой миллиметр и миллиграмм. Британская Научная Ассоциация (англ. British Science Association) в 1862 году постановила, что «Все мужи науки согласились употреблять секунду среднего солнечного времени как единицу времени» (англ. All men of science are agreed to use the second of mean solar time as the unit of time.[13]. Ассоциация разработала систему единиц измерения СГС (сантиметр-грамм-секунда) в 1874 году, которая в течение дальнейших семидесяти лет была постепенно заменена системой МКС (метр-килограмм-секунда). Обе этих системы использовали одну и ту же секунду в качестве базовой единицы. Система МКС получила международное применение в 1940-х годах, и определяла секунду как 1/86400 средних солнечных суток.

В 1956 году определение секунды было скорректировано и привязано к понятию «года» (период обращения Земли вокруг Солнца), взятого для определённой эпохи, поскольку к тому времени стало известно, что вращение Земли вокруг своей оси не может быть использовано в качестве достаточно надёжного основания, в виду того, что это вращение замедляется, а также подвержено нерегулярным скачкам. Движение Земли было описано в таблицах Ньюкомба (англ. Newcomb's Tables of the Sun) (1895), которые предлагали формулу для оценки движения Солнца на 1900-е годы, основываясь на астрономических наблюдениях, сделанных между 1750 и 1892 годами[14].

Таким образом, секунда получила следующее определение:

« «1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени»
(англ. the fraction 1/31,556,925.9747 of the tropical year for 1900 January 0 at 12 hours ephemeris time.)[14]
»

Это определение было принято XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году[15], на этой же конференции была утверждена Международная система единиц (СИ) в целом.

«Тропический год» в определении 1960 года не был измерен, а был рассчитан по формуле, описывающей средний тропический год, который увеличивается линейно с течением времени. Это соответствовало шкале эфемеридного времени, принятой Международным астрономическим союзом в 1952 году[16]. Это определение приводило в соответствие наблюдаемое расположение небесных тел с теорией Ньютона об их движении. На практике на протяжении почти всего двадцатого века использовались таблицы Ньюкомба (с 1900 по 1983 годы) и таблицы Эрнеста Уильяма Брауна (с 1923 по 1983 годы)[14].

Таким образом, в 1960 году определение, данное в системе СИ, отменило всякую явную связь между секундой в научном понимании и продолжительностью дня, как его понимает большинство людей. С изобретением атомных часов в начале 1960-х, было решено использовать международное атомное время как основу для определения секунды взамен обращения Земли вокруг Солнца. Основной принцип квантовой механики — это неразличимость частиц. Таким образом, пока мы не учитываем внешних воздействий, строение всех атомов данного изотопа полностью идентично. Поэтому они представляют собой идеальные механизмы, которые воспроизводятся по желанию исследователя с точностью, ограниченной лишь степенью влияния внешних воздействий. Поэтому развитие часов — хранителей времени, привело к тому, что точность шкалы времени, реализуемой атомными часами, превысила точность астрономического определения, которое к тому же страдало от невозможности точной воспроизводимости эталона секунды. Поэтому было решено перейти к реализации секунды на основе атомных часов, взяв за основу какой-то переход в атомах, слабо подверженных внешнему воздействию. После обсуждения было решено взять атомы цезия, обладающие дополнительно тем достоинством, что цезий имеет только один стабильный изотоп, а новое определение секунды составить таким образом, чтобы она наиболее точно соответствовала применяемой эфемеридной секунде.

После нескольких лет работ, Льюис Эссен из Национальной физической лаборатории (англ. NPL) (Теддингтон (англ. Teddington), Англия) и Уильям Марковиц (англ. William Markowitz) из Военно-морской обсерватории США определили связь перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 с эфемеридной секундой[14][17]. Используя метод, основанный на получении сигналов от радиостанции WWV (англ. WWV (radio station))[18], они определили орбитальное движение Луны вокруг Земли, из которого могло быть определено движение Солнца в понятиях времени, измеряемого атомными часами. Они нашли, что секунда эфемеридного времени имеет длительность в 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения цезия[17]. Как результат, в 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду атомного времени как:

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет
« Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.[14] »

Эта секунда, ссылающаяся на атомное время, была позднее проверена на соответствие с секундой эфемеридного времени, определяемой лунными наблюдениями и совпала с ней в пределах 1 к 1010[19]. Несмотря на это, данная секунда уже была чуть короче чем прежняя секунда, определявшаяся по среднему солнечному времени[20][21].

В течение 1970-х годов было обнаружено, что гравитационное замедление времени влияет на секунды, отсчитываемые атомными часами, в зависимости от их возвышения над поверхностью Земли. Универсальная секунда была получена путём корректировки значений каждых атомных часов приведением их к среднему уровню моря, удлиняя таким образом секунду примерно на 1·10−10. Эта корректировка была проведена в 1977 году и узаконена в 1980 году. В терминах теории относительности секунда Международного атомного времени определена как собственное время на вращающемся геоиде[22].

Позднее, в 1997 году, на совещании Международного бюро мер и весов определение секунды было уточнено с добавлением следующего определения:

« Это определение относится к атому цезия, не возмущённому внешними полями при температуре 0 К.
(англ. This definition refers to a caesium atom at rest at a temperature of 0 K.)
»

Пересмотренное утверждение подразумевает, что идеальные атомные часы содержат один атом цезия в покое, испускающий волну постоянной частоты. На практике, однако, это определение означает, что высокоточные измерения секунды должны уточняться с учётом внешней температуры (излучение абсолютно-чёрного тела) в которой работают атомные часы, и экстраполироваться к значению секунды при абсолютном нуле.

Предполагаемое переопределение[править | править вики-текст]

На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17—21 октября 2011 года была принята резолюция[23], в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц все определения основных единиц сформулировать в новом единообразном виде[24]. Предполагаемое новое определение секунды, полностью эквивалентное существующему, в резолюции сформулировано в следующем виде[23]:

Секунда, символ с, является единицей времени; её величина устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц.

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • За одну секунду:
  • Одна секунда приближённо равна 1 / 31 556 925,9747 части времени обращения Земли вокруг Солнца в 1900 году.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Время и частота. [Сб. ст.], под ред. Д. Джесперсена [и др.], пер. с англ., М., 1973.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 The SI brochure Описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов
  2. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
  3. Секунда (единица времени) — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание). Н. С. Блинов
  4. Toomer G. J. Ptolemy's Almagest. — Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1998. — P. 6–7, 23, 211–216. — ISBN 978-0-691-00260-6.
  5. O Neugebauer A history of ancient mathematical astronomy. — Springer-Verlag, 1975. — ISBN 0-387-06995-X.
  6. Стр. 325 в O Neugebauer (1949). «The astronomy of Maimonides and its sources». Hebrew Union College Annual 22: 321–360.
  7. al-Biruni The chronology of ancient nations: an English version of the Arabic text of the Athâr-ul-Bâkiya of Albîrûnî, or "Vestiges of the Past". — 1879. — P. 147–149.
  8. R Bacon The Opus Majus of Roger Bacon. — University of Pennsylvania Press, 2000. — P. table facing page 231. — ISBN 978-1-85506-856-8.
  9. 1 2 3 Revolution in Time. — Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1983. — ISBN 0-674-76802-7.
  10. Clocks & watches. — New York: Dial Press, 1975. — ISBN 0-8037-4475-7. full page color photo: 4th caption page, 3rd photo thereafter (neither pages nor photos are numbered).
  11. Taqi al-Din
  12. Jessica Chappell (Oct 1, 2001). «The Long Case Clock: The Science and Engineering that Goes Into a Grandfather Clock». Illumin 1 (0): 1.
  13. Reports of the committee on electrical standards. British Association for the Advancement of Science (1873).
  14. 1 2 3 4 5 Leap Seconds. Time Service Department, United States Naval Observatory. Проверено 31 декабря 2006. Архивировано из первоисточника 27 мая 2012.
  15. Резолюция 9 XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960)  (англ.)
  16. Explanatory Supplement to the Astronomical Ephemeris and the American Ephemeris and Nautical Almanac (prepared jointly by the Nautical Almanac Offices of the United Kingdom and the United States of America, HMSO, London, 1961), at Sect. 1C, p.9), stating that at a conference «in March 1950 to discuss the fundamental constants of astronomy … the recommendations with the most far-reaching consequences were those that defined ephemeris time and brought the lunar ephemeris into accordance with the solar ephemeris in terms of ephemeris time. These recommendations were addressed to the International Astronomical Union and were formally adopted by Commission 4 and the General Assembly of the Union in Rome in September 1952.»
  17. 1 2 W Markowitz, RG Hall, L Essen, JVL Parry (1958). «Frequency of cesium in terms of ephemeris time». Physical Review Letters 1 (3): 105–107. DOI:10.1103/PhysRevLett.1.105. Bibcode1958PhRvL...1..105M.
  18. S Leschiutta (2005). «The definition of the 'atomic' second». Metrologia[en] 42 (3): S10–S19. DOI:10.1088/0026-1394/42/3/S03. Bibcode2005Metro..42S..10L.
  19. W Markowitz (1988). "{{{title}}}" in IAU Sumposia #128. The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geophysics: 413–418. 
  20. DD McCarthy, C Hackman, R Nelson (2008). «The Physical Basis of the Leap Second». Astronomical Journal[en] 136 (5): 1906–1908. DOI:10.1088/0004-6256/136/5/1906. Bibcode2008AJ....136.1906M. “... the SI second is equivalent to an older measure of the second of UT1, which was too small to start with and further, as the duration of the UT1 second increases, the discrepancy widens.”
  21. In the late 1950s, the caesium standard was used to measure both the current mean length of the second of mean solar time (UT2) (9 192 631 830 cycles) and also the second of ephemeris time (ET) (9 192 631 770±20 cycles), see L Essen (1968). «Time Scales». Metrologia[en] 4 (4): 161–165. DOI:10.1088/0026-1394/4/4/003. Bibcode1968Metro...4..161E.. As noted in page 162, the 9 192 631 770 figure was chosen for the SI second. L Essen in the same 1968 article stated that this value «seemed reasonable in view of the variations in UT2».
  22. See page 515 in RA Nelsonet al. (2000). «The leap second: its history and possible future». Metrologia[en] 38 (6): 509–529. DOI:10.1088/0026-1394/38/6/6. Bibcode2001Metro..38..509N.
  23. 1 2 On the possible future revision of the International System of Units, the SI Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)
  24. The «explicit-constant» formulation (англ.) на сайте Международного бюро мер и весов

Ссылки[править | править вики-текст]