Druhý - Second
druhý | |
---|---|
Obecná informace | |
Jednotkový systém | Základní jednotka SI |
Jednotka | Čas |
Symbol | s |
Druhý (symbol: s , zkratka: sek ) je základní jednotka z času v mezinárodním systému jednotek (SI) ( francouzsky : Système International d'unités ), běžně rozumějí a historicky definována jako 1 / 86400 ze dne na den - to faktor odvozený z rozdělení dne nejprve na 24 hodin , poté na 60 minut a nakonec na 60 sekund. Analogové hodiny a hodinky mají často na tvářích šedesát značek, které představují sekundy (a minuty), a „sekundovou ručičku“ k označení plynutí času v sekundách. Digitální hodiny a hodinky mají často dvouciferný čítač sekund. Druhý je také součástí několika dalších jednotek měření, jako jsou metry za sekundu pro rychlost , metry za sekundu pro zrychlení a cykly za sekundu pro frekvenci .
Ačkoli historická definice jednotky vycházela z tohoto rozdělení cyklu rotace Země, formální definice v Mezinárodním systému jednotek ( SI ) je mnohem stabilnějším časoměřičem:
Druhá je definována jako rovná době trvání 9,192,631,770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné na základní unperturbed pozemní stavu v cesia 133 atomu.
Protože rotace Země se mění a také se tak mírně zpomaluje, přidává se v nepravidelných intervalech k hodinovému času skoková sekunda, aby se hodiny synchronizovaly s rotací Země.
Násobky sekund se obvykle počítají v hodinách a minutách. Zlomky sekundy se obvykle počítají v desetinách nebo setinách. Ve vědecké práci se malé zlomky sekundy počítají v milisekundách (tisícinách), mikrosekundách (miliontinách), nanosekundách (miliardtinách) a někdy i menších jednotkách sekundy. Každodenní zkušeností s malými zlomky sekundy je 1 gigahertzový mikroprocesor, který má dobu cyklu 1 nanosekundu. Rychlost závěrky fotoaparátu je často vyjádřena ve zlomcích sekundy, například 1 / 30 sekundy nebo 1 / 1000 sekundy.
Sexagesimální rozdělení dne z kalendáře založené na astronomickém pozorování existuje od třetího tisíciletí před naším letopočtem, ačkoli to nebyly sekundy, jak je známe dnes. Tehdy nebylo možné změřit malé časové dělení, takže takové rozdělení bylo matematicky odvozeno. První časoměřiči, kteří dokázali přesně počítat sekundy, byly kyvadlové hodiny vynalezené v 17. století. Počínaje padesátými léty se atomové hodiny staly lepšími časovači než rotace Země a nadále stanovují standard i dnes.
Hodiny a sluneční čas
Mechanické hodiny, které nezávisí na měření relativní rotační polohy Země, udržují jednotný čas nazývaný střední čas , bez ohledu na přesnost, která je mu vlastní. To znamená, že každá sekunda, minuta a každé další dělení času počítané hodinami bude trvat stejně dlouho jako jakékoli jiné totožné rozdělení času. Ale sluneční hodiny, které měří relativní polohu slunce na obloze zvané zdánlivý čas , nezachovávají jednotný čas. Čas uchovávaný slunečními hodinami se liší podle ročního období, což znamená, že sekundy, minuty a každé další rozdělení času má jiné trvání v různých obdobích roku. Denní doba měřená s průměrným časem oproti zdánlivému času se může lišit až o 15 minut, ale jeden den se bude od druhého lišit jen o malé množství; 15 minut je kumulativní rozdíl za část roku. Tento efekt je dán hlavně šikmou osou Země vzhledem k její oběžné dráze kolem Slunce.
Rozdíl mezi zdánlivým slunečním časem a průměrným časem astronomové uznávali od starověku, ale před vynálezem přesných mechanických hodin v polovině 17. století byly sluneční hodiny jedinými spolehlivými hodinami a zdánlivý sluneční čas byl jediným obecně uznávaným standardem.
Události a jednotky času v sekundách
Zlomky sekundy jsou obvykle označeny desítkovým zápisem, například 2,01 sekundy nebo dvě a setina sekundy. Násobky sekund jsou obvykle vyjádřeny jako minuty a sekundy nebo hodiny, minuty a sekundy hodinového času, oddělené dvojtečkami, například 11:23:24 nebo 45:23 (druhý zápis může vést k nejednoznačnosti, protože stejný notace se používá k označení hodin a minut). Málokdy má smysl vyjadřovat delší časové úseky jako hodiny nebo dny v sekundách, protože se jedná o nešikovně velká čísla. Pro metrickou jednotku sekundy existují desetinné předpony představující 10–24 až 10 24 sekund.
Mezi běžné jednotky času v sekundách patří: minuta je 60 sekund; hodina je 3600 sekund; den je 86 400 sekund; týden je 604 800 sekund; rok (kromě přestupných let ) je 31 536 000 sekund; a ( gregoriánské ) století má v průměru 3 155 695 200 sekund; se všemi výše uvedenými s vyloučením všech možných přestupných sekund .
Některé běžné události během několika sekund jsou: kámen spadne asi 4,9 metru z klidu za jednu sekundu; kyvadlo délky asi jeden metr má švih o jednu sekundu, takže kyvadlové hodiny mají kyvadla dlouhá asi metr; nejrychlejší sprinteři běhají 10 metrů za sekundu; oceánská vlna v hluboké vodě urazí asi 23 metrů za jednu sekundu; zvuk se vzduchem šíří asi 343 metrů za jednu sekundu; světlu trvá 1,3 s dostat se na Zemi z povrchu Měsíce ve vzdálenosti 384 400 kilometrů.
Ostatní jednotky zahrnující sekundy
Sekunda je součástí dalších jednotek, jako je frekvence měřená v hertzech (inverzní sekundy nebo sekundy -1 ), rychlost (metry za sekundu) a zrychlení (metry za sekundu na druhou). Jednotka metrického systému becquerel, míra radioaktivního rozpadu, se měří v inverzních sekundách. Měřič je definován z hlediska rychlosti světla a druhý; definice metrických základních jednotek kilogram, ampér, kelvin a kandela také závisí na druhém. Jedinou základní jednotkou, jejíž definice nezávisí na druhé, je krtek. Z 22 pojmenovaných odvozených jednotek SI, pouze dvě (radiánské a steradiánské), nezávisí na druhé. Mnoho odvozených jednotek pro každodenní věci se uvádí ve větších jednotkách času, nikoli sekund, jako je hodinový čas v hodinách a minutách, rychlost auta v kilometrech za hodinu nebo míle za hodinu, kilowatthodiny spotřeby elektřiny a rychlost gramofon v otáčkách za minutu.
Standardy časomíry
Sada atomových hodin po celém světě udržuje čas na základě konsensu: hodiny „hlasují“ ve správný čas a všechny hodiny pro hlasování jsou řízeny tak, aby souhlasily s konsensem, který se nazývá Mezinárodní atomový čas (TAI). TAI „tiká“ atomové sekundy.
Civilní čas je definován tak, aby souhlasil s rotací Země. Mezinárodní standard pro měření času je Coordinated Universal Time (UTC). Tato časová stupnice „zatrhává“ stejné atomové sekundy jako TAI, ale podle potřeby vkládá nebo vynechává skokové sekundy , aby korigovala odchylky v rychlosti otáčení Země.
Časové měřítko, ve kterém se sekundy ne přesně rovnají atomovým sekundám, je UT1, forma univerzálního času . UT1 je definována rotací Země vzhledem ke slunci a neobsahuje žádné přestupné sekundy. UT1 se vždy liší od UTC o méně než sekundu.
Optické mřížkové hodiny
Přestože ještě nejsou součástí žádného standardu časomíry, optické mřížkové hodiny s frekvencemi ve spektru viditelného světla nyní existují a jsou ze všech nejpřesnějšími časomíry. Stroncia hodiny s frekvencí 430 THz , v červené oblasti viditelného světla, nyní drží rekord přesnost: bude získat nebo ztratit méně než jednu sekundu na 15 miliard let, což je delší než odhadovaný věk vesmíru. Takové hodiny mohou měřit změnu ve své výšce až o 2 cm změnou rychlosti v důsledku dilatace gravitační doby .
Historie definice
Vždy existovaly pouze tři definice druhé: jako zlomek dne, jako zlomek extrapolovaného roku a jako mikrovlnná frekvence atomových hodin cesia , a oni si uvědomili sexageimální rozdělení dne od starověké astronomické kalendáře.
Sexagesimální rozdělení kalendářního času a dne
Civilizace v klasickém období a v dřívějších dobách vytvářely rozdělení kalendáře a také oblouky pomocí sexagesimálního systému počítání, takže v té době to druhé bylo sexagesimal subdivision of the day (old second = den/60 × 60), nikoli hodiny jako moderní sekunda (= hodina/60 × 60). Sluneční hodiny a vodní hodiny patřily k nejranějším časoměřičům a jednotky času byly měřeny ve stupních oblouku. Byly také použity koncepční časové jednotky menší než realizovatelné na slunečních hodinách.
Ve spisech přírodních filozofů středověku existují odkazy na „druhé“ jako součást lunárního měsíce, což byly matematické podskupiny, které nebylo možné měřit mechanicky.
Frakce slunečního dne
Nejstarší mechanické hodiny, které se objevily ve 14. století, měly displeje, které dělily hodinu na poloviny, třetiny, čtvrtiny a někdy dokonce na 12 částí, ale nikdy ne na 60. Ve skutečnosti nebyla hodina běžně dělena na 60 minut, protože nebyla. jednotné trvání. Pro časoměřiče nebylo praktické uvažovat o minutách, dokud se na konci 16. století neobjevily první mechanické hodiny, které zobrazovaly minuty. Mechanické hodiny udržely průměrný čas , na rozdíl od zdánlivého času zobrazeného slunečními hodinami . Do té doby byly v Evropě dobře zavedeny sexagesimální rozdělení času.
Nejstarší hodiny k zobrazení sekund se objevily v poslední polovině 16. století. Druhý se stal přesně měřitelným s vývojem mechanických hodin. Nejranějšími hodinami poháněnými pružinou s vteřinovou ručičkou, které označovaly sekundy, jsou nepodepsané hodiny zobrazující Orfea ve sbírce Fremersdorf, datované mezi lety 1560 a 1570. Během 3. čtvrtiny 16. století Taqi al-Din postavil hodiny se značkami každé 1 /5 minut. V roce 1579 postavil Jost Bürgi pro Williama z Hesse hodiny, které označovaly sekundy. V roce 1581 Tycho Brahe přepracoval hodiny, které na jeho observatoři zobrazovaly jen minuty, takže zobrazovaly i sekundy, přestože tyto sekundy nebyly přesné. V roce 1587 si Tycho stěžoval, že jeho čtyři hodiny nesouhlasily o plus mínus čtyři sekundy.
V roce 1656 holandský vědec Christiaan Huygens vynalezl první kyvadlové hodiny. Mělo délku kyvadla necelý metr, což mu dalo švih o jednu sekundu a únik, který se ozýval každou sekundu. Jednalo se o první hodiny, které dokázaly přesně udržet čas v sekundách. Ve třicátých letech 17. století, o 80 let později, dokázaly námořní chronometry Johna Harrisona udržet přesný čas do jedné sekundy za 100 dní.
V roce 1832 Gauss navrhl použít druhou jako základní jednotku času ve svém systému jednotek milimetrů a miligramů sekundy . Britská asociace pro rozvoj vědy (BAAS) v roce 1862 uvedl, že „všichni lidé vědy se dohodli používat druhý ze středního slunečního času za jednotku času.“ BAAS formálně navrhl systém CGS v roce 1874, ačkoli tento systém byl postupně nahrazován v průběhu příštích 70 let jednotkami MKS . Systémy CGS i MKS používaly stejnou sekundu jako základní časovou jednotku. MKS byl přijat na mezinárodní úrovni během čtyřicátých let minulého století a definoval druhý jako 1 / 86,400 průměrného slunečního dne.
Zlomek efemeridového roku
Někdy na konci čtyřicátých let minulého století se hodiny oscilátoru křemenného krystalu s provozní frekvencí ~ 100 kHz zdokonalovaly, aby udržely čas s přesností lepší než 1 část z 10 8 během provozního období dne. Ukázalo se, že konsensus takových hodin udržuje lepší čas než rotace Země. Metrologové také věděli, že oběžná dráha Země kolem Slunce (rok) byla mnohem stabilnější než rotace Země. To vedlo k návrhům již v roce 1950 definovat druhé jako zlomek roku.
Pohyb Země byl popsán v Newcombových tabulkách Slunce (1895), které poskytly vzorec pro odhad pohybu Slunce vzhledem k epochě 1900 na základě astronomických pozorování provedených mezi lety 1750 a 1892. Výsledkem bylo přijetí časového měřítka efemeridy vyjádřeno v jednotkách hvězdného roku v té době IAU v roce 1952. Tento extrapolovaný časový harmonogram uvádí pozorované polohy nebeských těles do souladu s newtonovskými dynamickými teoriemi jejich pohybu. V roce 1955, IAU jako jednotku času zvolila tropický rok , považovaný za zásadnější než hvězdný rok. Tropický rok v definici nebyl měřen, ale vypočítán ze vzorce popisujícího průměrný tropický rok, který se v průběhu času lineárně snižoval.
V roce 1956 byl druhý předefinován na rok vzhledem k této epochě . Druhý byl tedy definován jako „zlomek 1 / 31 556 925,9747 tropického roku za 1. leden 1900 0, 12 hodin efemeridového času“. Tato definice byla přijata jako součást Mezinárodního systému jednotek v roce 1960.
Sekunda „atomová“
Ale i ty nejlepší mechanické, elektromotorické a křemenné hodiny na bázi krystalů vyvolávají nesrovnalosti s podmínkami prostředí. Mnohem lepší pro časomíru jsou přirozené a přesné „vibrace“ v energizovaném atomu. Frekvence vibrací (tj. Záření) je velmi specifická v závislosti na typu atomu a na tom, jak je excitován. Od roku 1967 je druhá přesně definována jako „doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými úrovněmi základního stavu atomu cesia-133 “ (při teplotě 0 K ). Tato délka sekundy byla vybrána tak, aby přesně odpovídala délce dříve definované efemeridy. Atomové hodiny používají takovou frekvenci k měření sekund počítáním cyklů za sekundu na této frekvenci. Záření tohoto druhu je jedním z nejstabilnějších a reprodukovatelných přírodních jevů. Aktuální generace atomových hodin je přesná do jedné sekundy za několik stovek milionů let.
Atomové hodiny nyní nastavují délku vteřiny a časový standard pro celý svět.
Násobky SI
Předpony SI se běžně používají pro časy kratší než jedna sekunda, ale zřídka pro násobky sekundy. Místo toho je v SI povoleno používat určité jednotky mimo SI : minuty , hodiny , dny a v astronomii juliánské roky .
Submultiples | Násobky | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Hodnota | Symbol SI | název | Hodnota | Symbol SI | název | Lidsky čitelné | |
10 -1 s | ds | decisekunda | 10 1 s | das | desetiletí | 10 sekund | |
10 -2 s | cs | centisekunda | 10 2 s | hs | hektosekunda | 1 minuta 40 sekund | |
10 -3 s | slečna | milisekunda | 10 3 s | ks | kilosekundy | 16 minut 40 sekund | |
10 −6 s | µs | mikrosekunda | 10 6 s | slečna | megasekunda | 11,6 dne | |
10 −9 s | ns | nanosekunda | 10 9 s | Gs | gigasecond | 31,7 let | |
10 až 12 s | ps | pikosekunda | 10 12 s | Ts | terasecond | 31 700 let | |
10 až 15 s | fs | femtosekunda | 10 15 s | Ps | petasecond | 31,7 milionu let | |
10 −18 s | tak jako | attosecond | 10 18 s | Es | exasecond | 31,7 miliardy let | |
10 -21 s | zs | zeptosekunda | 10 21 s | Zs | zettasecond | 31,7 bilionu let | |
10 až 24 s | ys | yoktosekunda | 10 24 s | Ys | yottasecond | 31,7 kvadrilionů let |
Viz také
Poznámky
Reference
externí odkazy
- Národní fyzikální laboratoř: Standardy optické frekvence zachycených iontů
- Vysoce přesné stroncium iontové optické hodiny ; Národní fyzikální laboratoř (2005)
- Národní rada pro výzkum Kanady: Optický frekvenční standard založený na jediném zachyceném iontu
- NIST: Definice druhého ; Všimněte si, že atom cesia musí být v základním stavu při 0 K.
- Oficiální definice BIPM druhého
- Skok druhý: jeho historie a možná budoucnost
- Co jsou atomové hodiny cesia?
- SLAC: Scales of Time - Náš vesmír od 10 18 do 10 −18 sekund