Sekunde - Second

Sekunde
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Eine pendelgesteuerte Hemmung einer Uhr, die jede Sekunde tickt
Allgemeine Information
Einheitssystem SI-Basiseinheit
Einheit von Zeit
Symbol S

Die zweite (Symbol: s , Abkürzung: sec ) ist die Basiseinheit der Zeit im Internationalen Einheitensystem (SI) ( französisch : Système International d'unités ), allgemein verstanden und historisch definiert als 186400 eines Tages – this Faktor, der sich aus der Einteilung des Tages in 24 Stunden , dann in 60 Minuten und schließlich in je 60 Sekunden ergibt . Analoge Uhren und Uhren haben oft sechzig Teilstriche auf ihrem Zifferblatt , die Sekunden (und Minuten) darstellen, und einen "Sekundenzeiger", um den Zeitverlauf in Sekunden anzuzeigen. Digitaluhren und Uhren haben oft einen zweistelligen Sekundenzähler. Die Sekunde ist auch Teil mehrerer anderer Maßeinheiten wie Meter pro Sekunde für Geschwindigkeit , Meter pro Sekunde pro Sekunde für Beschleunigung und Zyklen pro Sekunde für Frequenz .

Obwohl die historische Definition der Einheit auf dieser Einteilung des Erdrotationszyklus beruhte, ist die formale Definition im Internationalen Einheitensystem ( SI ) ein viel stabilerer Zeitmesser:

Die zweite wird als gleich der Zeitdauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung definiert, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des fundamentalen ungestörten Grundzustands des Cäsium-133- Atoms entspricht.

Da die Erdrotation variiert und sich auch geringfügig verlangsamt , wird der Uhrzeit in unregelmäßigen Abständen eine Schaltsekunde hinzugefügt , um die Uhren mit der Erdrotation synchron zu halten.

Vielfache von Sekunden werden normalerweise in Stunden und Minuten gezählt. Sekundenbruchteile werden normalerweise in Zehntel oder Hundertstel gezählt. In der wissenschaftlichen Arbeit werden kleine Sekundenbruchteile in Millisekunden (Tausendstel), Mikrosekunden (Millionstel), Nanosekunden (Milliardstel) und manchmal auch kleineren Einheiten einer Sekunde gezählt. Ein alltägliches Erlebnis mit kleinen Sekundenbruchteilen ist ein 1-Gigahertz-Mikroprozessor mit einer Zykluszeit von 1 Nanosekunde. Kamera- Verschlusszeiten werden oft in Sekundenbruchteilen angegeben, z. B. 130 Sekunden oder 11000 Sekunden.

Sexagesimale Tageseinteilungen aus einem auf astronomischer Beobachtung basierenden Kalender gibt es seit dem dritten Jahrtausend v. Chr., obwohl es sich nicht um Sekunden handelte, wie wir sie heute kennen. Kleine Zeiteinteilungen konnten damals nicht gemessen werden, daher wurden solche Einteilungen mathematisch abgeleitet. Die ersten Zeitmesser, die Sekunden genau zählen konnten, waren Pendeluhren, die im 17. Jahrhundert erfunden wurden. Ab den 1950er Jahren wurden Atomuhren bessere Zeitmesser als die Erdrotation und sie setzen bis heute den Standard.

Uhren und Sonnenzeit

Eine mechanische Uhr, die nicht von der Messung der relativen Rotationsposition der Erde abhängt, hält eine einheitliche Zeit, die mittlere Zeit genannt , innerhalb der ihr innewohnenden Genauigkeit. Das bedeutet, dass jede Sekunde, Minute und jeder andere Zeitabschnitt, der von der Uhr gezählt wird, dieselbe Dauer hat wie jeder andere identische Zeitabschnitt. Aber eine Sonnenuhr, die die relative Position der Sonne am Himmel misst, die scheinbare Zeit genannt wird , hält keine einheitliche Zeit. Die Zeit einer Sonnenuhr variiert je nach Jahreszeit, was bedeutet, dass Sekunden, Minuten und jede andere Zeiteinteilung zu verschiedenen Jahreszeiten unterschiedlich lang sind. Die Tageszeit, gemessen mit der mittleren Zeit gegenüber der scheinbaren Zeit, kann bis zu 15 Minuten abweichen, aber ein einzelner Tag wird sich nur geringfügig vom nächsten unterscheiden; 15 Minuten sind eine kumulative Differenz über einen Teil des Jahres. Der Effekt ist hauptsächlich auf die Schiefe der Erdachse in Bezug auf ihre Umlaufbahn um die Sonne zurückzuführen.

Der Unterschied zwischen scheinbarer Sonnenzeit und mittlerer Zeit wurde von Astronomen seit der Antike erkannt, aber vor der Erfindung genauer mechanischer Uhren Mitte des 17.

Ereignisse und Zeiteinheiten in Sekunden

Sekundenbruchteile werden normalerweise in Dezimalschreibweise angegeben, zum Beispiel 2,01 Sekunden oder zwei und eine Hundertstelsekunde. Vielfache von Sekunden werden normalerweise als Minuten und Sekunden oder Stunden, Minuten und Sekunden der Uhrzeit ausgedrückt, getrennt durch Doppelpunkte, z Notation wird verwendet, um Stunden und Minuten anzugeben). Es ist selten sinnvoll, längere Zeiträume wie Stunden oder Tage in Sekunden auszudrücken, da es sich um unhandlich große Zahlen handelt. Für die metrische Einheit Sekunde gibt es Dezimalpräfixe, die 10 –24 bis 10 24 Sekunden darstellen.

Einige gebräuchliche Zeiteinheiten in Sekunden sind: Eine Minute ist 60 Sekunden; eine Stunde ist 3.600 Sekunden; ein Tag ist 86.400 Sekunden; eine Woche beträgt 604.800 Sekunden; ein Jahr (außer Schaltjahren ) beträgt 31.536.000 Sekunden; und ein ( gregorianisches ) Jahrhundert durchschnittlich 3.155.695.200 Sekunden; wobei alle oben genannten Punkte alle möglichen Schaltsekunden ausschließen .

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 etwa einem Meter hat eine Schwingung von einer Sekunde, Pendeluhren haben also Pendel von etwa einem Meter Länge; die schnellsten menschlichen Sprinter laufen 10 Meter in einer Sekunde; eine Meereswelle in tiefem Wasser legt in einer Sekunde etwa 23 Meter zurück; Schall breitet sich in der Luft in einer Sekunde etwa 343 Meter aus; Licht braucht 1,3 Sekunden, um von der Oberfläche des Mondes, einer Entfernung von 384.400 Kilometern, die Erde zu erreichen.

Andere Einheiten mit Sekunden

Eine Sekunde ist Teil anderer Einheiten, wie Frequenz gemessen in Hertz (inverse Sekunden oder Sekunde –1 ), Geschwindigkeit (Meter pro Sekunde) und Beschleunigung (Meter pro Sekunde zum Quadrat). Die metrische Systemeinheit Becquerel, ein Maß für den radioaktiven Zerfall, wird in inversen Sekunden gemessen. Das Meter wird durch die Lichtgeschwindigkeit und die Sekunde definiert; 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 (Radiant und Steradiant) nicht von der zweiten ab. Viele abgeleitete Einheiten für alltägliche Dinge werden in größeren Zeiteinheiten und nicht in Sekunden angegeben, z. B. Uhrzeit in Stunden und Minuten, Geschwindigkeit eines Autos in Kilometern pro Stunde oder Meilen pro Stunde, Kilowattstunden Stromverbrauch und Geschwindigkeit von eine Drehscheibe in Umdrehungen pro Minute.

Zeitmessungsstandards

Eine Reihe von Atomuhren auf der ganzen Welt hält die Zeit durch Konsens: Die Uhren "stimmen" über die richtige Zeit ab, und alle abstimmenden Uhren werden so gesteuert, dass sie mit dem Konsens übereinstimmen, der als Internationale Atomzeit (TAI) bezeichnet wird. TAI "tickt" Atomsekunden.

Die bürgerliche Zeit wird so definiert, dass sie mit der Erdrotation übereinstimmt. Der internationale Standard für die Zeitmessung ist die koordinierte Weltzeit (UTC). Diese Zeitskala „Ticks“ die gleichen Atom Sekunden wie TAI, aber Einsätze oder auslässt Schaltsekunden als notwendig , um die korrekten Schwankungen in der Rotationsgeschwindigkeit der Erde.

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. UT1 weicht immer weniger als eine Sekunde von UTC ab.

Optische Gitteruhr

Obwohl sie noch nicht Teil eines Zeitmessstandards sind, gibt es heute optische Gitteruhren mit Frequenzen im sichtbaren Lichtspektrum und sind die genauesten Zeitmesser überhaupt. 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 Höhenänderung von nur 2 cm an der Änderung ihrer Geschwindigkeit aufgrund der gravitativen Zeitdilatation messen .

Definitionsgeschichte

Es gab immer nur drei Definitionen der Sekunde: als Bruchteil des Tages, als Bruchteil eines extrapolierten Jahres und als Mikrowellenfrequenz einer Cäsium -Atomuhr, und sie haben eine sexagesimale Einteilung des Tages aus den alten astronomischen Kalender.

Sexagesimale Einteilung von Kalenderzeit und -tag

Zivilisationen in der klassischen Periode und früher schufen Kalendereinteilungen sowie Bögen mit einem sexagesimalen Zählsystem, so dass die Sekunde zu dieser Zeit eine sexagesimale Unterteilung des Tages war (alte Sekunde  = Tag/60×60), nicht zur Stunde wie die moderne Sekunde (= Stunde/60×60). Sonnen- und Wasseruhren gehörten zu den frühesten Zeitmessern, 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.

Anteil des Sonnentages

Die frühesten mechanischen Uhren, die ab dem 14. Jahrhundert auftauchten, hatten Anzeigen, die die Stunde in Hälften, Terzen, Viertel und manchmal sogar 12 Teile teilten, aber nie in 60. Tatsächlich wurde die Stunde normalerweise nicht in 60 Minuten unterteilt, da dies nicht der Fall war einheitlich in der Dauer. Es war für Zeitmesser nicht praktikabel, Minuten zu berücksichtigen, bis gegen Ende des 16. Jahrhunderts die ersten mechanischen Uhren auftauchten, die Minuten anzeigten. Mechanische Uhren hielten die mittlere Zeit im Gegensatz zur scheinbaren Zeit, die von Sonnenuhren angezeigt wurde . Zu dieser Zeit waren sexagesimale Zeiteinteilungen in Europa gut etabliert.

Die ersten Uhren mit Sekundenanzeige erschienen in der letzten Hälfte des 16. Jahrhunderts. Die Sekunde wurde mit der Entwicklung mechanischer Uhren genau messbar. Der früheste federbetriebene Zeitmesser mit Sekundenzeiger ist eine unsignierte Orpheus- Darstellung in der Sammlung Fremersdorf, datiert zwischen 1560 und 1570. Im 3. Viertel des 16. Jahrhunderts baute Taqi al-Din eine Uhr mit Markierungen alle 1 /5 Minuten. 1579 baute Jost Bürgi für Wilhelm von Hessen eine Uhr mit Sekundenanzeige. Im Jahr 1581 entwarf Tycho Brahe Uhren, die in seinem Observatorium nur Minuten anzeigten, so, dass sie auch Sekunden anzeigten, obwohl diese Sekunden nicht genau waren. Im Jahr 1587 beklagte sich Tycho, dass seine vier Uhren um plus oder minus vier Sekunden voneinander abwichen.

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

Im Jahr 1832 schlug Gauß vor, die Sekunde als Basiseinheit der Zeit in seinem Millimeter-Milligramm-Sekunden -Einheitensystem zu verwenden . Die British Association for the Advancement of Science (BAAS) stellte 1862 fest, dass "alle Wissenschaftler darin übereinstimmen, die Sekunde der mittleren Sonnenzeit als Zeiteinheit zu verwenden." BAAS schlug 1874 offiziell das CGS-System vor , obwohl dieses System in den nächsten 70 Jahren nach und nach durch MKS- Einheiten ersetzt wurde. Sowohl das CGS- als auch das MKS-System verwendeten dieselbe Sekunde als ihre Basiszeiteinheit. MKS wurde in den 1940er Jahren international eingeführt und definierte die Sekunde als 186.400 eines durchschnittlichen Sonnentages.

Bruchteil eines Ephemeridenjahres

Irgendwann in den späten 1940er Jahren wurden Quarzoszillatoruhren mit einer Betriebsfrequenz von ~100 kHz entwickelt, um die Zeit mit einer Genauigkeit von besser als 1 zu 10 8 über einen Betriebszeitraum von einem Tag zu halten. Es zeigte sich, dass ein Konsens solcher Uhren die Zeit besser hielt als die Erdrotation. Metrologen wussten auch, dass die Umlaufbahn der Erde um die Sonne (ein Jahr) viel stabiler war als die Erdrotation. Dies führte bereits 1950 zu Vorschlägen, die Sekunde als Bruchteil eines Jahres zu definieren.

Die Bewegung der Erde wurde in Newcombs Sonnentafeln (1895) beschrieben, die eine Formel zur Schätzung der Bewegung der Sonne relativ zur Epoche 1900 basierend auf astronomischen Beobachtungen zwischen 1750 und 1892 lieferten. Dies führte zur Annahme einer Ephemeriden- Zeitskala von der IAU 1952 in Einheiten des siderischen Jahres dieser Epoche ausgedrückt . Diese extrapolierte Zeitskala bringt die beobachteten Positionen der Himmelskörper in Übereinstimmung mit Newtonschen dynamischen Theorien ihrer Bewegung. 1955 wurde das tropische Jahr , das als fundamentaler als das siderische Jahr angesehen wird, von der IAU als Zeiteinheit gewählt. Das tropische Jahr in der Definition wurde nicht gemessen, sondern aus einer Formel berechnet, die ein mittleres tropisches Jahr beschreibt, das mit der Zeit linear abnimmt.

1956 wurde die zweite in Bezug auf diese Epoche in Bezug auf ein Jahr neu definiert . Die Sekunde wurde somit als "der Bruchteil 131.556.925.9747 des tropischen Jahres für 1900 Januar 0 um 12 Stunden Ephemeridenzeit" definiert. Diese Definition wurde 1960 als Teil des Internationalen Einheitensystems übernommen.

"atomare" Sekunde

Aber auch die besten mechanischen, elektromotorischen und quarzbasierten Uhren entwickeln Abweichungen von den Umgebungsbedingungen. Viel besser für die Zeitmessung ist die natürliche und exakte "Schwingung" in einem energetisierten Atom. Die Schwingungsfrequenz (dh Strahlung) ist abhängig von der Art des Atoms und seiner Anregung sehr spezifisch. Seit 1967 ist die zweite definiert als genau „die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133- Atoms entspricht“ (bei einer Temperatur von 0 K ). Diese Länge einer Sekunde wurde so gewählt, dass sie genau der Länge der zuvor definierten Ephemeriden-Sekunde 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 Phänomene der Natur. Die aktuelle Generation von Atomuhren ist in wenigen hundert Millionen Jahren auf eine Sekunde genau.

Atomuhren legen heute die Länge einer Sekunde und den Zeitstandard für die Welt fest.

SI-Vielfaches

SI-Präfixe werden häufig für Zeiten verwendet, die kürzer als eine Sekunde sind, aber selten für Vielfache einer Sekunde. Stattdessen sind bestimmte Nicht-SI-Einheiten für die Verwendung in SI erlaubt : Minuten , Stunden , Tage und in der Astronomie Julianische Jahre .

SI-Vielfaches für Sekunde(n)
Teiler Vielfaches
Wert SI-Symbol Name Wert SI-Symbol Name Für Menschen lesbar
10 -1 s ds Dezisekunde 10 1 s das Dekasekunde 10 Sekunden
10 −2 s cs Zentisekunde 10 2 s hs Hektosekunde 1 Minute 40 Sekunden
10 -3 s Frau Millisekunde 10 3 s k Kilosekunde 16 Minuten 40 Sekunden
10 -6 s µs Mikrosekunde 10 6 s MS Megasekunde 11,6 Tage
10 −9 s ns Nanosekunde 10 9 s Gs Gigasekunde 31,7 Jahre
10 −12 s ps Pikosekunde 10 12 s Ts Terasekunde 31.700 Jahre
10 −15 s fs Femtosekunde 10 15 s PS Petasekunde 31,7 Millionen Jahre
10 −18 s wie Attosekunde 10 18 s Es Ex-Sekunde 31,7 Milliarden Jahre
10 −21 s zs Zeptosekunde 10 21 s Zs Zettasekunde 31,7 Billionen Jahre
10 −24 s y Yoktosekunde 10 24 s Ja Yottasekunde 31,7 Billiarden Jahre

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links