Warum entspricht eine Sekunde genau der Dauer von 9.192.631.770 Strahlungsperioden?

Diese Nummer, 9192631770, wurde gewählt, um die neue Definition der Sekunde so nah wie möglich an die weniger genaue alte Sekundendefinition zu bringen. Dies bedeutet, dass - abgesehen von den genauesten Messungen - Instrumente, die vor der Definition der neuen Sekunde kalibriert wurden, nicht neu kalibriert werden müssten.

Es ist eine Definition einer Einheit, die eine willkürliche Wahl ist. In der Vergangenheit haben wir eine Sekunde als 1⁄86.400 eines Sonnentages und später als „den Bruchteil 1/31.556.925,9747 des tropischen Jahres für den 0. Januar 1900 um 12 Stunden Ephemeridenzeit“ definiert, aber beide sind ziemlich schlechte Methoden zur Zeitmessung, weil Die Bewegung der Erde im Sonnensystem unterliegt Störungen und Änderungen in der Massenverteilung des Planeten (durch Winde in der Atmosphäre und Meeresströmungen und sogar große Erdbeben verändern die Länge eines Tages, obwohl die Änderung gering ist im Vergleich zum " Rauschen" von ersterem).

Als wir Atomuhren erfanden, hatten wir bessere Möglichkeiten, die Grundeinheit der Zeit zu definieren. Die derzeit akzeptierte Definition lautet "9192631770 Zyklen der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands von Cäsium 133 entsprechen". Auch diese Definition weist Mängel auf. Wir haben jetzt bessere Atomuhren als die, die man mit Cäsiumatomen bauen kann, und so ist zu erwarten, dass sich die Definition ändern wird, sobald die für diese Definitionen verantwortlichen nationalen und internationalen Gremien beschließen, auf die Verfügbarkeit besserer Uhren einzuwirken.

In der Vergangenheit haben wir das Meter auch durch eine Wellenlänge von rot-orangem Licht aus einer optischen Linie von Krypton 86 definiert. Damit wurde die Lichtgeschwindigkeit zu einer Messgröße. Andererseits ist eine unserer am besten getesteten physikalischen Tatsachen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist, also sollten wir sie in der Art und Weise, wie wir unsere Einheiten definieren, als eine solche behandeln. Daher definieren wir jetzt die Lichtgeschwindigkeit als eine einfache numerische Konstante und den Meter als die Entfernung, die das Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegen kann. Die Definitionen von Meter und Sekunde werden daher für die Zukunft durch einen konstanten Faktor verknüpft.

Wenn wir Entfernungen mit höherer Genauigkeit messen könnten als Zeit (das tun wir nicht und es ist unwahrscheinlich, dass wir sie in Zukunft haben werden), dann würden wir eine neue physikalische Definition für einen Meter erstellen und die konstante Definition von verwenden Lichtgeschwindigkeit, um aus einer Sekunde die Zeit abzuleiten, die das Licht benötigt, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen.

Wenn die Relativitätstheorie streng gilt, dann sind die beiden Arten der Definition von Entfernung/Zeit äquivalent und wir können immer die Definition wählen, die am genauesten und reproduzierbarsten ist.

Die meisten physikalischen Einheiten müssen in Bezug auf etwas Messbares definiert werden, und eine gute Definition einer physikalischen Einheit ist eine, bei der die Messung der Einheit sehr genau wiederholbar ist.

Seit der Vorgeschichte war ein Tag eine sehr natürliche Art der Zeitmessung und insofern sehr wiederholbar, als das Verfahren der Tagesmessung überall auf der Erde mit im Wesentlichen demselben Ergebnis durchgeführt werden kann. Der Tag als Einheit wurde dann in zwei Teile aufgeteilt, für (ungefähr) Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang versus Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang, und jede Hälfte eines Tages wurde in 12 Stunden aufgeteilt. Etwas in 12 Teile aufzuteilen, war zu dieser Zeit eine natürliche Wahl, da im alten Sumer und Indien zu dieser Zeit ein duodezimales (Basis 12) Nummerierungssystem weit verbreitet war. Die spätere Aufteilung einer Stunde in 60 Minuten und später danach die Aufteilung einer Minute in 60 Sekunden war zu dieser Zeit eine natürliche Wahl, da in anderen Kulturen sexagesimale (Basis 60) Nummerierungssysteme verwendet wurden. Diese Definition einer Sekunde als Sein$\frac{1}{24 \times 60 \times 60}$eines mittleren Sonnentages wurde seit seiner Definition durch den persischen Gelehrten al-Biruni vor 1.016 Jahren bis 1967 verwendet.

Obwohl die Messung der Zeit basierend auf der Länge eines mittleren Sonnentages eine so präzise wiederholbare Definition von Zeiteinheiten war, wie man es sich für Jahrhunderte erhoffen konnte, zeigten astronomische Beobachtungen im 19. und 19. Jahrhundert, dass die Dauer des mittleren Sonnentages t genau konstant, sondern wurde ganz allmählich länger, was den mittleren Sonnentag zu einer weniger wünschenswerten Grundlage für die Definition von Zeiteinheiten machte. 1967 war die Übergangszeit zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands von Cäsium 133 ungefähr die genaueste wiederholbare Zeitmessung, die technologisch möglich war, und sicherlich genauer wiederholbar als die Messung der Dauer eines mittleren Sonnentages, so 1967 Die Definition einer Sekunde wurde geändert, um auf Cäsium 133 zu basieren.

Die Neudefinition der Sekunde auf etwa 10000000000 dieser Cäsiumperioden, nur weil 10000000000 eine "nette" Zahl ist, die die moderne Basis-10-Nummerierung verwendet, wäre eine äußerst störende Änderung für all die Leute (alle), die eine Sekunde als verwendet hatten es war für die vorangegangenen 967 Jahre definiert worden. Um diese Unterbrechung zu minimieren, wurde die neue Definition einer Sekunde so festgelegt, dass sie so nah wie möglich an der gleichen Zeitspanne liegt wie die alte Definition einer Sekunde.

Für genaue Berechnungen ist es hilfreich, die Sekunde als ganze Zahl dieser Cäsium-133-Perioden zu definieren, und 9192631770 Cäsium-133-Perioden lagen innerhalb des Bereichs der Länge der alten Sekunde, dh innerhalb des experimentellen Fehlers beim Vergleich dieser beiden Dauern als genau wie es technologisch möglich war, also wurde eine Definition der Sekunde als genau 9192631770 dieser Perioden gewählt.

Die obige Geschichte der Definition einer Sekunde ist etwas zu stark vereinfacht; siehe den zweiten Artikel von Wikipedia für eine detailliertere Darstellung.