Секунда

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Файл:Clock-pendulum.gif
Схема маятниковых часов с периодом колебаний маятника 2 секунды

Секу́нда (русское обозначение: с; международное: s) — единица измерения времени, одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ) и системы СГС. Кроме того, является единицей времени и относится к числу основных единиц в системах МКС, МКСА , МКСК, МКСГ, МКСЛ, МСК, МСС, МКГСС и МТС[1].

Представляет собой интервал времени, равный Шаблон:Val периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при 0 К. Точный текст действовавшего определения секунды, утверждённого XIII Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году, таков[2][3]:

Шаблон:Начало цитаты Секунда — время, равное Шаблон:Val периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Шаблон:Конец цитаты

В 1997 году Международный комитет мер и весов (МКМВ) уточнил, что данное определение относится к атому цезия, находящемуся в покое при температуре 0 К[2].

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

Кратные и дольные единицы

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.

Шаблон:Кратные и дольные единицы

Эквивалентность другим единицам измерения времени

1 секунда равна:

Происхождение названия

Слово секунда происходит от латинского словосочетания secunda divisio[4]. Это означает второе деление часашестидесятиричной системе счисления).

История определений секунды

Перед появлением механических часов

Жители Древнего Египта делили дневную и ночную половины суток каждую на 12 часов уже, по крайней мере, с 2000 года до н. э. В силу разных длительностей ночного и дневного периодов в разное время года продолжительность египетского часа была величиной переменной. Греческие астрономы периода эллинистической Греции Гиппарх и Птолемей делили день на основе шестидесятеричной системы счисления и также использовали усреднённый час Шаблон:Nowrap, простые доли часа (14, 23 и т. п.) и время-градусы (1360 суток, или 4 современные минуты), но не современные минуты или Шаблон:Nowrap

В Вавилонии после 300 года до н. э. день делился шестидесятирично, то есть на 60, полученный отрезок — ещё на 60, потом — ещё раз на 60 и т. д. до, по крайней мере, шести разрядов после шестидесятиричного разделителя (что давало точность больше двух современных микросекунд). Например, для длительности их года использовалась 6-разрядное 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 разряда), что было повторено Гиппархом 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 хелеков составляют 1 час)[5]. Вавилоняне не использовали единицу времени «час», вместо этого использовался двойной час длительностью 120 современных минут, а также время-градус длительностью 4 минуты и «третья часть» длительностью 313 современных секунды (хелек в современном еврейском календаре)[6], но эти меньшие единицы они уже не делили. Ни одна из шестидесятиричных частей дня никогда не использовалась как независимая единица времени.

Шаблон:AnchorШаблон:Anchor В 1000 году персидский учёный Аль-Бируни 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 Роджер Бэкон установил временные промежутки между полнолуниями через количество часов, минут, секунд, третей и четвертей (horae, minuta, secunda, tertia, 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. Шаблон:Langi и тур. Шаблон:Langi, однако эта единица является малоиспользуемой и мелкие периоды времени выражаются десятичными долями секунды (тысячными, миллионными и т. д.).

Секунды во времена механических часов

Первым известным экземпляром пружинных часов с секундной стрелкой являются часы неизвестного мастера с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датируемые между 1560 и 1570 Шаблон:Nowrap. В 3-й четверти XVI века османский энциклопедист Такиюддин аш-Шами создал часы с отметками каждую 1/5 минуты[9]. В 1579 году швейцарский часовщик и приборостроитель Йост Бюрги сконструировал часы для ландграфа Вильгельма IV, которые показывали секунды[10]Шаблон:Rp. В 1581 году датский учёный Тихо Браге переконструировал часы в своей обсерватории, которые показывали минуты, так, что 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 на ±4 секунды[10]Шаблон:Rp. 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 рассчитал, что маятник с длиной 39,1 дюйма (0,994 м) будет иметь период колебаний при стандартной гравитации точно 2 секунды — 1 секунду на движение вперёд и 1 секунду на движение обратно, — позволяя отсчитывать таким образом точные секунды.

В 1670 году лондонский часовщик Уильям Клемент добавил такой секундный маятник к исходным маятниковым часам Христиана Гюйгенса[11]. С 1670 по 1680 год Клемент несколько раз усовершенствовал свой механизм, после чего представил сделанный им часовой шкаф общественности. В этих часах был применён механизм анкерного спуска с секундным маятником, показывающим секунды на небольшом вспомогательном циферблате. Этот механизм благодаря меньшему трению требовал меньших затрат энергии, чем ранее применявшаяся конструкция штыревого спускового механизма, и был достаточно точен, чтобы отмерять секунды как 160 минуты. 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

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 XVII 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 предложил использовать секунду в качестве базовой единицы времени в своей системе единиц, использующей наряду с секундой миллиметр и миллиграмм. Шаблон:Не переведено 2 в 1862 году постановила, что «Все учёные согласились употреблять секунду среднего солнечного времени как единицу времени» (англ. Шаблон:Langi-en2[12]). 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, ввиду того, что это вращение замедляется, а также подвержено нерегулярным скачкам. Движение Земли было описано в Шаблон:Не переведено 2 (1895), которые предлагали формулу для оценки движения Солнца на 1900-е годы, основываясь на астрономических наблюдениях, сделанных между 1750 и 1892 годами[13].

Таким образом, секунда получила следующее определение:

Шаблон:Quote

Это определение было принято XI ГКМВ в 1960 году[14], 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[15]. 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)[13].

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 Великобритании (Шаблон:Не переведено 2, Англия) и Шаблон:Не переведено 2 из Военно-морской обсерватории США определили связь перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 с эфемеридной секундой[13][16]. Используя метод, основанный на получении сигналов от радиостанции Шаблон:Не переведено 2[17], 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 периодов излучения цезия[16]. Как результат, в 1967 году XIII ГКМВ определила секунду атомного времени как:

Файл:FOCS-1.jpg
FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

Шаблон:Quote

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[18]. Несмотря на это, данная секунда уже была чуть короче чем прежняя секунда, определявшаяся по среднему солнечному времени[19][20].

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 1Шаблон:E. 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[21].

Позднее, в 1997 году, на совещании Международного комитета мер и весов определение секунды было уточнено с добавлением следующего определения[2]: Шаблон:Quote 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.

Изменения определений основных единиц СИ 2018—2019 годов не затронуло секунду с содержательной точки зрения, однако из стилистических соображений было принято формально новое определение[22]: Шаблон:Начало цитаты Секунда, обозначение с, является единицей времени в СИ; её величина устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 <math>\Delta\nu_\text{Cs}</math> равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ Гц, что эквивалентно с−1. Шаблон:Конец цитаты

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

  • Время и частота (сборник статей), под редакцией Д. Джесперсена и других, перевод с английского, М., 1973.

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Единицы СИ

Шаблон:Единицы измерения и стандарты времени

  1. Шаблон:Книга
  2. 2,0 2,1 2,2 Шаблон:Cite web
  3. Шаблон:Cite web
  4. Шаблон:Книга
  5. Шаблон:Книга
  6. Шаблон:Статья
  7. Шаблон:Книга
  8. Шаблон:Книга
  9. Taqi al-Din
  10. 10,0 10,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Landes не указан текст
  11. Шаблон:Статья
  12. Шаблон:Cite web
  13. 13,0 13,1 13,2 Шаблон:Cite web
  14. Резолюция 9 XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) Шаблон:Ref-en
  15. 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.»
  16. 16,0 16,1 Шаблон:Статья
  17. Шаблон:Статья
  18. W Markowitz (1988). "{{{title}}}" in IAU Sumposia #128. The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geophysics: 413–418. 
  19. Шаблон:Статья
  20. In the late 1950s, the caesium standard was used to measure both the current mean length of the second of mean solar time (UT2) (Шаблон:Val) and also the second of ephemeris time (ET) (Шаблон:Val), see Шаблон:Статья. As noted in page 162, the Шаблон:Val 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».
  21. See page 515 in Шаблон:Статья
  22. Шаблон:Cite web