Секунда

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от , проверенной 24 апреля 2021; проверки требует .

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 9 192 631 770 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]:

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[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).

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.

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

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 (124 суток), простые доли часа (14, 23 и т. п.) и время-градусы (1360 суток, или 4 современные минуты), но не современные минуты или секунды[5].

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)[6]. 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)[7], но эти меньшие единицы они уже не делили. Ни одна из шестидесятиричных 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[8]. 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[9]. Терция — «треть», в значении «третье деление часа», — существует для обозначения 160 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.).

Первым известным экземпляром пружинных часов с секундной стрелкой являются часы неизвестного мастера с изображением Орфея из коллекции Фремерсдорфа, датируемые между 1560 и 1570 годами[10][11]. В 3-й четверти XVI века османский энциклопедист Такиюддин аш-Шами создал часы с отметками каждую 1/5 минуты[12]. В 1579 году швейцарский часовщик и приборостроитель Йост Бюрги сконструировал часы для ландграфа Вильгельма IV, которые показывали секунды[10]. 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]. 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[en] 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[13]. 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[en] 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[en], 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.

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 (англ. British Science Association) в 1862 году постановила, что «Все учёные согласились употреблять секунду среднего солнечного времени как единицу времени» (англ. [14]). 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.

All men of science are agreed to use the second of mean solar time as the unit of time

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 таблицах Ньюкомба (англ. Newcomb's Tables of the Sun) (1895), которые предлагали формулу для оценки движения Солнца на 1900-е годы, основываясь на астрономических наблюдениях, сделанных между 1750 и 1892 годами[15].

«1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени»
(англ. )[15]

the fraction 1/31,556,925.9747 of the tropical year for 1900 January 0 at 12 hours ephemeris time.

Это определение было принято XI ГКМВ в 1960 году[16], 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[17]. 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)[15].

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 (Теддингтон (англ. Teddington), Англия) и Уильям Марковиц (англ. William Markowitz) из Военно-морской обсерватории США определили связь перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 с эфемеридной секундой[15][18]. Используя метод, основанный на получении сигналов от радиостанции WWV (англ. WWV (radio station))[19], 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[18]. Как результат, в 1967 году XIII ГКМВ определила секунду атомного времени как:

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

Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.[15]

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[20]. Несмотря на это, данная секунда уже была чуть короче чем прежняя секунда, определявшаяся по среднему солнечному времени[21][22].

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[23].

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

Это определение относится к атому цезия, не возмущённому внешними полями при температуре 0 К.
(англ. )

This definition refers to a caesium atom at rest at a temperature of 0 K.

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.

не затронуло секунду с содержательной точки зрения, однако из стилистических соображений было принято формально новое определение[24]: