Секу́нда (русское обозначение: с ; международное: s ; графическое: ″ ) — 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 .

Представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями энергии 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 :

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

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

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.

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
10 1 с	декасекунда	дас	das	10 −1 с	децисекунда	дс	ds
10 2 с	гектосекунда	гс	hs	10 −2 с	сантисекунда	сс	cs
10 3 с	килосекунда	кс	ks	10 −3 с	миллисекунда	мс	ms
10 6 с	мегасекунда	Мс	Ms	10 −6 с	микросекунда	мкс	µs
10 9 с	гигасекунда	Гс	Gs	10 −9 с	наносекунда	нс	ns
10 12 с	терасекунда	Тс	Ts	10 −12 с	пикосекунда	пс	ps
10 15 с	петасекунда	Пс	Ps	10 −15 с	фемтосекунда	фс	fs
10 18 с	эксасекунда	Эс	Es	10 −18 с	аттосекунда	ас	as
10 21 с	зеттасекунда	Зс	Zs	10 −21 с	зептосекунда	зс	zs
10 24 с	йоттасекунда	Ис	Ys	10 −24 с	иоктосекунда	ис	ys
10 27 с	роннасекунда		Rs	10 −27 с	ронтосекунда		rs
10 30 с	кветтасекунда		Qs	10 −30 с	квектосекунда		qs
рекомендовано к применению применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике

Эквивалентность другим единицам измерения времени

1 секунда равна:

• 1 / 60 минуты (также смотрите статью Секунда координации )
• 1 / 3 600 часа
• 1 / 86 400 суток (система единиц МАС )
• 1 / 31 557 600 юлианского года (система единиц МАС)

Происхождение названия

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). Слово секунда происходит от латинского словосочетания secunda divisio . Это означает второе деление часа (в шестидесятиричной 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 ( 1 ⁄ 24 суток) , простые доли часа ( 1 ⁄ 4 , 2 ⁄ 3 и т. п.) и время-градусы ( 1 ⁄ 360 суток, или 4 современные минуты), но не современные минуты или секунды .

В Вавилонии после 300 года до н. э. день делился шестидесятерично, 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 физически измерить столь малый промежуток. 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) . 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 3 1 ⁄ 3 современных секунды ( хелек в современном еврейском календаре) , но эти меньшие единицы они уже не делили. Ни одна из шестидесятеричных частей дня никогда не использовалась как независимая единица времени.

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 . 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 . Терция — «треть», в значении «третье деление часа», — существует для обозначения 1 ⁄ 60 секунды и сейчас в некоторых языках, например польск. tercja и 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

Первым известным экземпляром пружинных часов с секундной стрелкой являются часы неизвестного мастера с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датируемые между 1560 и 1570 годами ^:417–418 . В 3-й четверти XVI века османский энциклопедист Такиюддин аш-Шами создал часы с отметками каждую 1/5 минуты . В 1579 году швейцарский часовщик и приборостроитель Йост Бюрги сконструировал часы для ландграфа Вильгельма IV , которые показывали секунды ^:105 .

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 ^: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 рассчитал, что маятник с длиной 39,1 дюйма (0,994 м) будет иметь период колебаний при 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 . 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 с секундным маятником, показывающим секунды на небольшом вспомогательном циферблате. Этот механизм благодаря меньшему трению требовал меньших затрат энергии, чем ранее применявшаяся конструкция , и был достаточно точен, чтобы отмерять секунды как 1 ⁄ 60 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. Британская научная ассоциация в 1862 году постановила, что «Все учёные 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 ). 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 период вращения Земли вокруг своей оси ( звёздные сутки ) не может быть использовано в качестве достаточно точной величины, так как вращение Земли замедляется приливными силами , а также подвержено хаотическим колебаниям. Движение Земли было описано в ( англ. ) (1895), которые предлагали формулу для оценки движения Солнца на 1900-е годы, основываясь на астрономических наблюдениях, сделанных между 1750 и 1892 годами .

Таким образом, секунда в то время получила следующее определение:

Это определение было принято XI ГКМВ в 1960 году , 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 . Это определение приводило в соответствие наблюдаемое расположение небесных тел с теорией тяготения Ньютона об их движении. На практике на протяжении почти всего двадцатого века использовались таблицы Ньюкомба (с 1900 по 1983 год) и таблицы Эрнеста Уильяма Брауна (с 1923 по 1983 год) .

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 годов 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, без учёта внешних воздействий, строение и свойства всех атомов данного изотопа полностью идентичны. 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 определению продолжительности секунды атомными часами, взяв за основу какой-то переход между энергетическими уровнями в атомах, на который слабо влияют внешние воздействия. После обсуждения было решено взять атомы цезия, обладающие дополнительно тем достоинством, что природный цезий имеет только один стабильный изотоп, а новое определение секунды представить так, чтобы она наиболее точно соответствовала применяемой эфемеридной секунде.

После нескольких лет работ Льюис Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании ( Теддингтон , Англия) и ( англ. ) из Военно-морской обсерватории США определили связь перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133 с эфемеридной секундой . Используя метод, основанный на получении сигналов от радиостанции ( англ. ) , они определили орбитальное движение Луны вокруг Земли, из которого могло быть определено движение Земли вокруг Солнца в понятиях времени, измеряемого атомными часами. Они нашли, что секунда эфемеридного времени имеет длительность в 9 192 631 770 ± 20 периодов излучения цезия . Как результат, в 1967 году XIII ГКМВ определила секунду атомного времени как:

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 10 ¹⁰ . Несмотря на это, определённая таким образом секунда уже была чуть короче чем секунда по прежнему определению, определявшаяся по среднему солнечному времени. В связи с этим появилась практика введения « дополнительных секунд » .

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 .

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

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 :

Секунда, обозначение с, является единицей времени в СИ; её величина устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$ равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ Гц , что эквивалентно с ⁻¹ .

МКМВ планирует изменить определение секунды, чтобы сделать возможным улучшение точности измерения времени, в 2030 году .

См. также

• Секунда координации
• Единицы измерения времени
• СИ
• Международное атомное время
• Герц
• Всемирное координированное время
• Беккерель
• Кварцевые часы
• Атомные часы
• Магнито-оптическая ловушка

Примечания

Литература

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

Ссылки

• Секунда (единица времени) / Н. С. Блинов // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• (недоступная ссылка с 21-05-2013 [3892 дня] — , )
• (недоступная ссылка с 21-05-2013 [3892 дня] — , )