Zweite

Eine mechanische Uhr, die nicht von der Messung der relativen Drehposition der Erde abhängt, hält eine gleichmäßige Zeit, die als mittlere Zeit bezeichnet wird , innerhalb der ihr innewohnenden Genauigkeit. Das bedeutet, dass jede Sekunde, Minute und jede andere von der Uhr gezählte Zeitteilung dieselbe Dauer hat wie jede andere identische Zeitteilung. Eine Sonnenuhr, die die relative Position der Sonne am Himmel misst und als scheinbare Zeit bezeichnet wird , hält jedoch keine einheitliche Zeit. Die von einer Sonnenuhr gehaltene Zeit variiert je nach Jahreszeit, was bedeutet, dass Sekunden, Minuten und jede andere Zeiteinteilung zu verschiedenen Jahreszeiten eine unterschiedliche Dauer haben. Die mit der mittleren Zeit gegenüber der scheinbaren Zeit gemessene Tageszeit kann sich um bis zu 15 Minuten unterscheiden, ein einzelner Tag unterscheidet sich jedoch nur geringfügig vom nächsten. 15 Minuten sind eine kumulative Differenz über einen Teil des Jahres. Der Effekt ist hauptsächlich auf die Schrägstellung der Erdachse in Bezug auf ihre Umlaufbahn um die Sonne zurückzuführen.

Der Unterschied zwischen der scheinbaren Sonnenzeit und der mittleren Zeit wurde von den Astronomen seit der Antike erkannt, aber vor der Erfindung genauer mechanischer Uhren Mitte des 17. Jahrhunderts waren Sonnenuhren die einzigen zuverlässigen Zeitmesser, und die scheinbare Sonnenzeit war der einzige allgemein akzeptierte Standard.

Sekundenbruchteile werden normalerweise in Dezimalschreibweise angegeben, z. B. 2,01 Sekunden oder zweieinhalb Sekunden. Vielfache von Sekunden werden normalerweise als Minuten und Sekunden oder Stunden, Minuten und Sekunden der Uhrzeit ausgedrückt, getrennt durch Doppelpunkte, wie z. B. 11:23:24 oder 45:23 (die letztere Notation kann zu Mehrdeutigkeiten führen, weil dies auch der Fall ist Notation wird verwendet, um Stunden und Minuten zu bezeichnen. Es ist selten sinnvoll, längere Zeiträume wie Stunden oder Tage in Sekunden auszudrücken, da es sich um unangenehm große Zahlen handelt. Für die metrische Einheit der Sekunde gibt es Dezimalpräfixe, die 10 ^–24 bis 10 ²⁴ Sekunden darstellen.

Einige übliche Zeiteinheiten in Sekunden sind: Eine Minute ist 60 Sekunden; eine Stunde ist 3.600 Sekunden; ein Tag ist 86.400 Sekunden; eine Woche ist 604.800 Sekunden; ein Jahr (außer Schaltjahren ) beträgt 31.536.000 Sekunden; und ein ( gregorianisches ) Jahrhundert dauert durchschnittlich 3.155.695.200 Sekunden; mit allen oben genannten ohne mögliche Schaltsekunden .

Einige häufige Ereignisse in Sekunden sind: Ein Stein fällt in einer Sekunde etwa 4,9 Meter aus der Ruhe; Ein Pendel mit einer Länge von ungefähr einem Meter hat eine Schwingung von einer Sekunde, so dass Pendeluhren Pendel mit einer Länge von ungefähr einem Meter haben. Die schnellsten menschlichen Sprinter laufen 10 Meter in einer Sekunde. Eine Ozeanwelle in tiefem Wasser bewegt sich in einer Sekunde etwa 23 Meter; Schall bewegt sich in einer Sekunde in der Luft etwa 343 Meter; Das Licht benötigt 1,3 Sekunden, um die Erde von der Mondoberfläche aus zu erreichen, eine Entfernung von 384.400 Kilometern.

Eine Sekunde ist Teil anderer Einheiten, z. B. Frequenz gemessen in Hertz (inverse Sekunden oder Sekunde ^-1 ), Geschwindigkeit (Meter pro Sekunde) und Beschleunigung (Meter pro Sekunde im Quadrat). Die metrische Systemeinheit Becquerel, ein Maß für den radioaktiven Zerfall, wird in umgekehrten Sekunden gemessen. Der Zähler wird in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit und die Sekunde definiert; Die Definitionen der metrischen Basiseinheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Candela hängen ebenfalls von der Sekunde ab. Die einzige Basiseinheit, deren Definition nicht von der zweiten abhängt, ist der Maulwurf. Von den 22 genannten abgeleiteten Einheiten des SI hängen nur zwei (Radian und Steradian) nicht von der zweiten ab. Viele abgeleitete Einheiten für alltägliche Dinge werden in Form von größeren Zeiteinheiten und nicht in Sekunden angegeben, wie z. B. Uhrzeit in Stunden und Minuten, Geschwindigkeit eines Autos in Kilometern pro Stunde oder Meilen pro Stunde, Kilowattstunden Stromverbrauch und Geschwindigkeit von ein Drehteller in Umdrehungen pro Minute.

Eine Reihe von Atomuhren auf der ganzen Welt hält die Zeit im Konsens: Die Uhren "stimmen" zur richtigen Zeit ab, und alle Abstimmungsuhren werden so gesteuert, dass sie mit dem Konsens übereinstimmen, der als Internationale Atomzeit ( International Atomic Time, TAI) bezeichnet wird. TAI "tickt" Atomsekunden. ^[3]

Zivilzeit wird definiert, um mit der Rotation der Erde übereinzustimmen. Der internationale Standard für die Zeitmessung ist die koordinierte Weltzeit (UTC). Diese Zeitskala "tickt" die gleichen Atomsekunden wie TAI, fügt jedoch bei Bedarf Schaltsekunden ein oder lässt sie weg , um Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde zu korrigieren. ^[4]

Eine Zeitskala, in der die Sekunden nicht genau den Atomsekunden entsprechen, ist UT1, eine Form der Weltzeit . UT1 wird durch die Rotation der Erde in Bezug auf die Sonne definiert und enthält keine Schaltsekunden. ^[5] UT1 unterscheidet sich von UTC immer um weniger als eine Sekunde.

Während sie noch nicht Teil eines Zeitnehmungsstandards sind, existieren jetzt optische Gitteruhren mit Frequenzen im sichtbaren Lichtspektrum und sind die genauesten Zeitnehmer von allen. Eine Strontiumuhr mit einer Frequenz von 430  THz im roten Bereich des sichtbaren Lichts hält jetzt den Genauigkeitsrekord: Sie wird in 15 Milliarden Jahren weniger als eine Sekunde gewinnen oder verlieren, was länger ist als das geschätzte Alter des Universums. Eine solche Uhr kann eine Änderung ihrer Höhe von nur 2 cm durch die Änderung ihrer Geschwindigkeit aufgrund der Gravitationszeitdilatation messen . ^[6]

Es gab bisher nur drei Definitionen der zweiten: als Bruchteil des Tages, als Bruchteil eines extrapolierten Jahres und als Mikrowellenfrequenz einer Cäsium -Atomuhr, und sie haben eine sexagesimale Trennung des Tages von der alten astronomischen realisiert Kalender.

Sexagesimale Unterteilung von Kalenderzeit und Tag

Zivilisationen in der klassischen Periode und früher schufen Abteilungen des Kalenders sowie Bögen unter Verwendung eines sexagesimalen Zählsystems, so dass zu dieser Zeit die zweite eine sexagesimale Unterteilung des Tages war (alte Sekunde  = Tag/.60 × 60), nicht von der Stunde wie die moderne Sekunde (= Stunde/.60 × 60). Sonnenuhren und Wasseruhren gehörten zu den frühesten Zeitmessgeräten, und Zeiteinheiten wurden in Bogengraden gemessen. Es wurden auch konzeptionelle Zeiteinheiten verwendet, die kleiner als auf Sonnenuhren realisierbar waren.

In den Schriften der Naturphilosophen des Mittelalters gibt es Hinweise auf "zweite" als Teil eines Mondmonats, die mathematische Unterteilungen waren, die nicht mechanisch gemessen werden konnten. ^{[nb 2] [nb 3]}

Bruchteil des Sonnentages

Die frühesten mechanischen Uhren, die ab dem 14. Jahrhundert erschienen, hatten Anzeigen, die die Stunde in Hälften, Drittel, Viertel und manchmal sogar 12 Teile teilten, aber niemals um 60. Tatsächlich wurde die Stunde gewöhnlich nicht in 60 Minuten unterteilt, wie es nicht war einheitliche Dauer. Für Zeitnehmer war es nicht praktikabel, Minuten zu berücksichtigen, bis gegen Ende des 16. Jahrhunderts die ersten mechanischen Uhren mit Minuten erschienen. Mechanische Uhren behielten die mittlere Zeit bei , im Gegensatz zu der scheinbaren Zeit, die Sonnenuhren anzeigen . Zu dieser Zeit waren sexagesimale Zeitabteilungen in Europa gut etabliert. ^{[nb 4]}

Die frühesten Uhren, die Sekunden anzeigen, erschienen in der letzten Hälfte des 16. Jahrhunderts. Die zweite wurde mit der Entwicklung mechanischer Uhren genau messbar. Die früheste federgetriebene Uhr mit einem Sekundenzeiger, der Sekunden markiert, ist eine nicht signierte Uhr, die Orpheus in der Sammlung Fremersdorf darstellt und zwischen 1560 und 1570 datiert ist . ^{[9] : 417–418 [10]} Im 3. Viertel des 16. Jahrhunderts taqi al-Din baute alle 1/5 Minute eine Uhr mit Markierungen. ^[11] 1579 baute Jost Bürgi eine Uhr für Wilhelm von Hessen , die Sekunden markierte. ^{[9] : 105} 1581 gestaltete Tycho Brahe Uhren neu, die in seinem Observatorium nur Minuten angezeigt hatten, sodass auch Sekunden angezeigt wurden, obwohl diese Sekunden nicht genau waren. Im Jahr 1587 beschwerte sich Tycho, dass seine vier Uhren um plus oder minus vier Sekunden nicht übereinstimmten. ^{[9] : 104}

1656 erfand der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens die erste Pendeluhr. Es hatte eine Pendellänge von knapp einem Meter, was ihm einen Schwung von einer Sekunde verlieh, und eine Hemmung, die jede Sekunde tickte. Es war die erste Uhr, die die Zeit in Sekunden genau halten konnte. In den 1730er Jahren, 80 Jahre später, konnten die maritimen Chronometer von John Harrison die Zeit in 100 Tagen auf eine Sekunde genau halten.

1832 schlug Gauß vor, die Sekunde als Basiszeiteinheit in seinem Millimeter-Milligramm-Sekunden -Einheitensystem zu verwenden . Die britische Vereinigung zur Förderung der Wissenschaft (BAAS) erklärte 1862: "Alle Wissenschaftler sind sich einig, die Sekunde der mittleren Sonnenzeit als Zeiteinheit zu verwenden." ^[12] BAAS schlug das CGS-System 1874 offiziell vor , obwohl dieses System in den nächsten 70 Jahren schrittweise durch MKS- Einheiten ersetzt wurde. Sowohl das CGS- als auch das MKS-System verwendeten dieselbe Sekunde als Basiszeiteinheit. MKS wurde in den 1940er Jahren international eingeführt und definierte die zweite als 1 ⁄ 86.400 eines mittleren Sonnentages.

Bruchteil eines Ephemeridenjahres

Irgendwann in den späten 1940er Jahren wurden Quarzkristalloszillatoruhren mit einer Betriebsfrequenz von ~ 100 kHz weiterentwickelt, um die Zeit über einen Betriebszeitraum von einem Tag mit einer Genauigkeit von mehr als 1 Teil von 10 ⁸ zu halten . Es stellte sich heraus, dass ein Konsens solcher Uhren eine bessere Zeit hielt als die Rotation der Erde. Metrologen wussten auch, dass die Erdumlaufbahn um die Sonne (ein Jahr) viel stabiler war als die Erdrotation. Dies führte bereits 1950 zu Vorschlägen, die zweite als Bruchteil eines Jahres zu definieren.

Die Erdbewegung wurde in Newcombs Sun 's Tables (1895) beschrieben, die eine Formel zur Schätzung der Sonnenbewegung relativ zur Epoche 1900 auf der Grundlage astronomischer Beobachtungen zwischen 1750 und 1892 lieferten. ^[13] Dies führte zur Annahme eines Ephemeriden- Zeitskala, ausgedrückt in Einheiten des Sternjahres in dieser Epoche von der IAU im Jahr 1952. ^[14] Diese extrapolierte Zeitskala bringt die beobachteten Positionen der Himmelskörper mit den Newtonschen dynamischen Theorien ihrer Bewegung in Einklang. ^[13] 1955 wählte die IAU das tropische Jahr , das als grundlegender als das Sternjahr angesehen wurde, als Zeiteinheit. Das tropische Jahr in der Definition wurde nicht gemessen, sondern anhand einer Formel berechnet, die ein mittleres tropisches Jahr beschreibt, das im Laufe der Zeit linear abnahm.

Im Jahr 1956 wurde die zweite in Bezug auf ein Jahr relativ zu dieser Epoche neu definiert . Die zweite wurde somit als "die Fraktion" definiert 1 ⁄ 31.556.925,9747 des tropischen Jahres für 1900 0 Januar um 12 Stunden Ephemeridenzeit ". ^[13] Diese Definition wurde 1960 als Teil des Internationalen Einheitensystems übernommen. ^[15]

"Atomic" Sekunde

Aber selbst die besten mechanischen, elektrisch motorisierten Uhren und Uhren auf Quarzkristallbasis entwickeln Abweichungen von den Umgebungsbedingungen. Weitaus besser für die Zeitmessung ist die natürliche und genaue "Schwingung" in einem angeregten Atom. Die Frequenz der Schwingung (dh Strahlung) ist sehr spezifisch, abhängig von der Art des Atoms und wie es angeregt wird. ^[16] Seit 1967 hat der zweite als genau „die Dauer der 9192631770 definiert Perioden der Strahlung entsprechend den Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustandes des Cäsium-133 - Atom“ (bei einer Temperatur von 0 K ) . Diese Länge einer Sekunde wurde so gewählt, dass sie genau der Länge der zuvor definierten Ephemeridensekunde entspricht. Atomuhren verwenden eine solche Frequenz, um Sekunden zu messen, indem sie Zyklen pro Sekunde bei dieser Frequenz zählen. Strahlung dieser Art ist eines der stabilsten und reproduzierbarsten Naturphänomene. Die aktuelle Generation von Atomuhren ist in wenigen hundert Millionen Jahren auf eine Sekunde genau.

Atomuhren setzen jetzt die Länge einer Sekunde und den Zeitstandard für die Welt. ^[17]

SI-Präfixe werden üblicherweise für Zeiten verwendet, die kürzer als eine Sekunde sind, jedoch selten für Vielfache einer Sekunde. Stattdessen dürfen bestimmte Nicht-SI-Einheiten in SI verwendet werden : Minuten , Stunden , Tage und in julianischen Astronomiejahren . ^[18]

• Größenordnungen (Zeit)
• Sekunden Pendel
• Zeitstandard

• National Physical Laboratory: Optische Frequenzstandards für eingeschlossene Ionen
• Hochgenaue optische Strontiumionenuhr ; National Physical Laboratory (2005)
• National Research Council of Canada: Optischer Frequenzstandard basierend auf einem einzelnen eingefangenen Ion
• NIST: Definition der zweiten ; Beachten Sie, dass sich das Cäsiumatom bei 0 K im Grundzustand befinden muss
• Offizielle BIPM-Definition der zweiten
• Die Schaltsekunde: seine Geschichte und mögliche Zukunft
• Was ist eine Cäsiumatomuhr?
• Genauigkeit der Zeit - Astronoo
• SLAC: Zeitskalen - Unser Universum von 10 ^ 18 bis 10 ^ -18 Sekunden