Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Второй (символ: s , аббревиатура: сек ) является базовым блоком по времени в Международной системе единиц (SI) (французский: Système Международного d'Объединяет), обычно понимаются и исторически определяется как 1 / 86400 от в день - этот коэффициент получен из деления дня сначала на 24 часа , затем на 60 минут и, наконец, на 60 секунд каждый. Аналоговые часы и часычасто имеют шестьдесят делений на их лицах, представляющих секунды (и минуты), и «секундную стрелку», чтобы отмечать течение времени в секундах. Цифровые часы и часы часто имеют двузначный счетчик секунд. Вторая также является частью нескольких других единиц измерения, таких как метры в секунду для скорости , метры в секунду в секунду для ускорения и циклы в секунду для частоты .

Хотя историческое определение единицы было основано на этом делении цикла вращения Земли, формальное определение в Международной системе единиц ( СИ ) является гораздо более устойчивым хронометристом:

Второй определяется как равна длительности времени 9 192 631 770 периодов излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями фундаментального невозмущенного основного состояния на цезий-133 атома. [1] [2]

Поскольку вращение Земли меняется, а также немного замедляется, к времени [nb 1] периодически добавляется дополнительная секунда, чтобы часы синхронизировались с вращением Земли.

Кратные секунды обычно считаются в часах и минутах. Доли секунды обычно считаются десятыми или сотыми. В научной работе малые доли секунды считаются в миллисекундах (тысячных), микросекундах (миллионных), наносекундах (миллиардных), а иногда и в меньших единицах секунды. Ежедневный опыт работы с малыми долями секунды - это микропроцессор с частотой 1 гигагерц, время цикла которого составляет 1 наносекунду. Камера выдержки затвора часто выражаются в долях секунды, например, 1 / 30 секунды или 1 / 1000 секунды.

Шестидесятеричное деление дня по календарю, основанному на астрономических наблюдениях, существовало с третьего тысячелетия до нашей эры, хотя они не были секундами, как мы их знаем сегодня [ необходима цитата ] . В то время малые деления времени нельзя было измерить, поэтому такие деления выводились математически. Первыми хронометрами, которые могли точно считать секунды, были маятниковые часы, изобретенные в 17 веке. Начиная с 1950-х годов, атомные часы стали более эффективными хронометрами, чем вращение Земли, и продолжают оставаться эталоном сегодня.

Часы и солнечное время [ править ]

Механические часы, не зависящие от измерения относительного вращательного положения Земли, поддерживают единообразное время, называемое средним временем , с любой присущей им точностью. Это означает, что каждая секунда, минута и любое другое деление времени, отсчитываемое часами, будет той же продолжительности, что и любое другое идентичное деление времени. Но солнечные часы, которые измеряют относительное положение солнца на небе, называются видимым временем., не держит единого времени. Время, которое показывают солнечные часы, 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 кажущимся 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 в основном наклоном оси Земли по отношению к ее орбите вокруг Солнца.

Разница между видимым солнечным временем и средним временем была признана астрономами с древних 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 [ править ]

Доли секунды обычно обозначаются в десятичной системе счисления, например 2,01 секунды или две сотые секунды. Кратное значение секунд обычно выражается в минутах и ​​секундах или часах, минутах и ​​секундах часового времени, разделенных двоеточиями, например 11:23:24 или 45:23 (последнее обозначение может вызвать двусмысленность, потому что одно и то же обозначение используется для обозначения часов и минут). Редко имеет смысл выражать более длительные периоды времени, например, часы или дни, в секундах, потому что это слишком большие числа. Для метрической единицы секунды есть десятичные префиксы, представляющие от 10 −24 до 10 24 секунд.

Некоторые общепринятые единицы времени в секундах: минута - 60 секунд; час - 3600 секунд; день 86 400 секунд; неделя 604800 секунд; год (кроме високосных ) составляет 31 536 000 секунд; а ( григорианский ) век в среднем составляет 3 155 695 200 секунд; со всем вышеперечисленным, за исключением возможных дополнительных секунд .

Вот некоторые общие события в секундах: камень падает примерно на 4,9 метра после остановки за одну секунду; маятник длиной около метра имеет качание в одну секунду, поэтому у маятниковых часов есть маятники длиной около метра; самые быстрые человеческие спринтеры бегут на 10 метров за секунду; океанская волна в глубокой воде проходит около 23 метров за одну секунду; звук проходит в воздухе около 343 метров за одну секунду; свету требуется 1,3 секунды, чтобы достичь Земли от поверхности Луны, на расстоянии 384 400 километров.

Другие единицы, включающие секунды [ править ]

Секунда является частью других единиц измерения, таких как частота, измеряемая в герцах (обратные секунды или секунда -1.), скорость (метры в секунду) и ускорение (метры в секунду в квадрате). Единица метрической системы беккерель, мера радиоактивного распада, измеряется в обратных секундах. Счетчик определяется скоростью света и секундами; определения метрических основных единиц килограмма, ампера, кельвина и канделы также зависят от секунды. Единственная базовая единица, определение которой не зависит от второй, - это моль. Из 22 названных производных единиц СИ только две (радиан и стерадиан) не зависят от второй. Многие производные единицы для повседневных вещей выражаются в более крупных единицах времени, а не в секундах, например в часах и минутах, скорости автомобиля в километрах в час или милях в час, киловатт-часах потребления электроэнергии и скорости движения. поворотный стол со скоростью вращения в минуту.

Стандарты хронометража [ править ]

Набор атомных часов по всему миру отсчитывает время на основе консенсуса: часы «голосуют» за правильное время, и все часы для голосования управляются, чтобы согласиться с консенсусом, который называется международным атомным временем (TAI). TAI «тикает» атомными секундами . [3]

Гражданское время определяется так, чтобы соответствовать вращению Земли. Международный стандарт хронометража - всемирное координированное время (UTC). Эта шкала времени «отсчитывает» те же атомные секунды, что и TAI, но добавляет или опускает дополнительные секунды, если это необходимо для корректировки изменений скорости вращения Земли. [4]

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. [5] UT1 всегда отличается от UTC менее чем на секунду.

Часы на оптической решетке [ править ]

Хотя они еще не являются частью какого-либо стандарта хронометража, часы на оптической решетке с частотами в спектре видимого света теперь существуют и являются наиболее точными измерителями времени из всех. Стронций часы с частотой 430  ТГц , в красном диапазоне видимого света, теперь держит рекорд точности: он будет получить или потерять меньше , чем за одну секунду в 15 миллиардов лет, что больше , чем оценочное возраст Вселенной. Такие часы могут измерять изменение его высоты всего на 2 см по изменению его скорости из-за гравитационного замедления времени . [6]

История определения [ править ]

Когда-либо существовало только три определения секунды: как часть дня, как часть экстраполированного года и как микроволновая частота атомных часов цезия , и они реализовали шестидесятеричное деление дня из древних астрономических данных. календари.

Шестидесятеричное деление календарного времени и дня [ править ]

Цивилизации классического периода и ранее создавали подразделения календаря, а также дуги с использованием шестидесятеричной системы счета, поэтому в то время секунда была шестидесятеричным делением 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, и единицы времени измерялись в градусах дуги. Также использовались концептуальные единицы времени, меньшие, чем те, которые можно увидеть на солнечных часах.

В трудах естествоиспытателей средневековья есть ссылки на «секунду» как на часть лунного месяца, которые представляли собой математические подразделения, которые нельзя было измерить механически. [nb 2] [nb 3]

Доля солнечных суток [ править ]

Самые ранние механические часы, появившиеся в XIV веке, имели дисплеи, которые делили час на половины, трети, четверти, а иногда даже на 12 частей, но никогда не на 60. Фактически, час обычно не делился на 60 минут, так как это не было однородный по продолжительности. Для хронометристов было непрактично считать минуты до тех пор, пока в конце 16 века не появились первые механические часы, показывающие минуты. Механические часы показывают среднее время в отличие от видимого времени, отображаемого солнечными часами . К тому времени в Европе прочно утвердилось шестидесятеричное деление времени. [№ 4]

Первые часы, показывающие секунды, появились во второй половине 16 века. Второй стал точно измеримым с развитием механических часов. Самыми ранними часами с пружинным приводом и секундной стрелкой, обозначающей секунды, являются часы без подписи с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датированные периодом между 1560 и 1570 годами. [9] : 417–418 [10] В 3-й четверти 16-го века Taqi ад-Дин построил часы с отметками каждые 1/5 минуты. [11] В 1579 году Йост Бюрги построил для Вильгельма Гессенского часы, которые отмечали секунды. [9] : 105 В 1581 году Тихо Брагепереработал часы, которые показывали только минуты в его обсерватории, чтобы они также отображали секунды, хотя эти секунды не были точными. В 1587 году Тихо жаловался, что его четыре часа разошлись на плюс-минус четыре секунды. [9] : 104

В 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изобрел первые маятниковые часы. У него был маятник длиной чуть меньше метра, который давал ему качание в одну секунду, и спусковой механизм, который тикал каждую секунду. Это были первые часы, которые могли точно отсчитывать 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 (БААС) в 1862 году заявила , что «все люди науки соглашаются использовать второй из среднего солнечного времени в качестве единицы времени.» [12] BAAS официально предложила систему CGS в 1874 году, хотя эта система была постепенно заменена в течение следующих 70 лет установками MKS . Обе системы CGS и MKS использовали одну и ту же секунду в качестве базовой единицы времени. MKS был принят на международном уровне в 1940 - х, определение второй , как 1 / 86,400 от среднего солнечного дня.

Доля эфемеридного года [ править ]

Когда-то в конце 1940-х годов часы кварцевого генератора с рабочей частотой ~ 100 кГц были усовершенствованы, чтобы отслеживать время с точностью лучше, чем 1 часть из 10 8 в течение рабочего периода в течение дня. Стало очевидно, что консенсус таких часов показывает лучшее время, чем вращение Земли. Метрологи также знали, что орбита Земли вокруг Солнца (год) была намного более стабильной, чем вращение Земли. Это привело к предложениям еще в 1950 году определить вторую как долю года.

Движение Земли было описано в Таблицах Солнца Ньюкома (1895 г.), которые предоставили формулу для оценки движения Солнца относительно эпохи 1900 г., основанную на астрономических наблюдениях, проведенных между 1750 и 1892 гг. [13] Это привело к принятию формулы Эфемеридная шкала времени, выраженная в единицах сидерического года в ту эпоху МАС в 1952 году. [14] Эта экстраполированная шкала времени приводит наблюдаемые положения небесных тел в соответствие с ньютоновскими динамическими теориями их движения. [13] В 1955-м тропическом году, который считается более фундаментальным, чем звездный год, был выбран МАС 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 второе определение было пересмотрено в год по отношению к той эпохе . Вторым был , таким образом , определяются как «фракция 1 / 31,556,925.9747 тропического года для 1900 января 0 на 12 часов эфемеридного времени». [13] Это определение было принято как часть Международной системы единиц в 1960 году. [15]

"Атомная" секунда [ править ]

Но даже самые лучшие механические, электромоторизованные и кварцевые часы могут отличаться от условий окружающей среды. Для хронометража гораздо лучше естественная и точная «вибрация» заряженного атома. Частота вибрации (т.е. излучения) очень специфична в зависимости от типа атома и от того, как он возбужден. [16] С 1967 года второй определяется как «длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 » (при температуре 0 K). Эта длина секунды была выбрана, чтобы точно соответствовать длине секунды эфемериды, определенной ранее. Атомные часы используют такую ​​частоту для измерения секунд путем подсчета циклов в секунду на этой частоте. Такого рода излучение - одно из наиболее устойчивых и воспроизводимых явлений природы. Нынешнее поколение атомных часов работает с точностью до одной секунды за несколько сотен миллионов лет.

Атомные часы теперь устанавливают продолжительность секунды и мировой стандарт времени . [17]

Кратные SI [ править ]

Префиксы SI обычно используются для значений времени короче одной секунды, но редко для значений, кратных секунде. Вместо этого в системе СИ разрешены некоторые единицы , не относящиеся к системе СИ : минуты , часы , дни и юлианские годы в астрономии . [18]

См. Также [ править ]

  • Порядки величины (время)
  • Маятник секунд
  • Стандарт времени

Примечания [ править ]

  1. ^ Время на часах (то есть гражданское время ) прямо или косвенно установлено на всемирное координированное время , которое включает дополнительные секунды. Другие шкалы времени используются в научных и технических областях, которые не содержат дополнительных секунд.
  2. В 1000 году персидский ученый аль-Бируни , писавший по-арабски, использовал термин « секунда» и определил разделение времени между новолуниями определенных конкретных недель как количество дней, часов, минут, секунд, третей и четвертых после полдень в воскресенье. [7]
  3. ^ В 1267, средневековый английский ученый Роджер Бэкон , писать на латыни, определил разделение времени между полнолуний как количество часов, минут, секунд, трети и четверти ( Оры , Минута , Секунда , Терция и Кварта ) послеполдень в указанные календарные даты. [8]
  4. ^ Можно отметить, что 60 - наименьшее кратное из первых 6 счетных чисел. Таким образом, часы с 60 делениями будут иметь метку для третей, четвертых, пятых, шестых и двенадцатых (часов); в каких бы единицах часы ни отсчитывали время, были бы отметки.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "SI Brochure (2019)" (PDF) . Брошюра SI . BIPM . п. 130. Архивировано (PDF) из оригинала 23 мая 2019 года . Проверено 23 мая 2019 года .
  2. ^ Второй . Словарь учащихся Мерриам Вебстер. Архивировано 25 марта 2013 года . Проверено 24 марта 2012 года .
  3. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). Время: от вращения Земли к атомной физике . Вайнхайм: Вайли. С. 207–218.
  4. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). Время: от вращения Земли к атомной физике . Вайнхайм: Вайли. С. 16–17, 207.
  5. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). Время: от вращения Земли к атомной физике . Вайнхайм: Вайли. С. 68, 232.
  6. ^ Винсент, Джеймс. «Самые точные часы, когда-либо построенные, теряют только одну секунду каждые 15 миллиардов лет» . TheVerge . Архивировано 27 января 2018 года . Проверено 26 января 2018 года .
  7. Аль-Бируни (1879) [1000]. Хронология древних народов . Перевод Сахау, К. Эдвард. С. 147–149. Архивировано 16 сентября 2019 года . Проверено 23 февраля 2016 года .
  8. ^ Бэкон, Роджер (2000) [1267]. Opus Majus Роджера Бэкона . переведен Робертом Белль Берк. Университет Пенсильвании Press . перед столом страница 231. ISBN 978-1-85506-856-8.
  9. ^ a b c Ландес, Дэвид С. (1983). Революция во времени . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0-674-76802-7.
  10. ^ Willsberger, Иоганн (1975). Часы и часы . Нью-Йорк: Наберите Press. ISBN 0-8037-4475-7. полноцветное фото: 4-я страница с заголовками, 3-е фото после нее (ни страницы, ни фотографии не нумеруются).
  11. ^ Селин, Helaine (31 июля 1997). Энциклопедия истории науки, техники и медицины в незападных культурах . Springer Science & Business Media. п. 934. ISBN 978-0-7923-4066-9. Архивировано 20 ноября 2016 года . Проверено 23 февраля 2016 года .
  12. ^ Дженкин, Генри Чарльз Флиминг , изд. (1873 г.). Отчеты комитета по электрическим стандартам . Британская ассоциация развития науки. п. 90. Архивировано 20 ноября 2016 года . Проверено 23 февраля 2016 года .
  13. ^ a b c «Високосные секунды» . Департамент службы времени, Военно-морская обсерватория США . Архивировано 12 марта 2015 года . Проверено 22 ноября 2015 года .
  14. ^ Nautical Альманах Офисы Соединенного Королевства и Соединенных Штатов Америки (1961), пояснительной Дополнением к астрономической эфемерид и американской эфемериды и Морской альманах , с. 9, ... определенное эфемеридное время ... [было] принято Международным астрономическим союзом в сентябре 1952 года.
  15. ^ "SI Brochure (2006)" (PDF) . Брошюра SI 8-е издание . BIPM . п. 112. Архивировано 3 мая 2019 года (PDF) . Проверено 23 мая 2019 года .
  16. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). «Определение и роль секунды». Время: от вращения Земли к атомной физике . Вайнхайм: Вайли.
  17. ^ Маккарти, Деннис Д .; Зайдельманн, П. Кеннет (2009). Время: от вращения Земли к атомной физике . Вайнхайм: Вайли. С. 231–232.
  18. ^ Международный астрономический союз. «Рекомендации по агрегатам» . Архивировано из оригинального 16 февраля 2007 года . Проверено 18 февраля 2007 года .Перепечатано из "Руководства по стилю IAU" Г. А. Уилкинсоном, Comm. 5, в IAU Transactions XXB (1987).

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальная физическая лаборатория: оптические стандарты частоты захваченных ионов
  • Высокоточные оптические часы с ионами стронция ; Национальная физическая лаборатория (2005)
  • Национальный исследовательский совет Канады: оптический стандарт частоты на основе одного захваченного иона
  • NIST: определение второго ; обратите внимание, что атом цезия должен находиться в основном состоянии при 0 K
  • Официальное определение BIPM второго
  • Дополнительная секунда: ее история и возможное будущее
  • Что такое часы с атомом цезия?
  • Точность времени - Astronoo