Wie wird eine Sekunde gemessen? Und warum wird so gemessen?

Warum haben wir die Messung von 1 Sekunde nicht auch nur geringfügig geändert, um Schaltjahre ganz zu vermeiden?

Die Rotation der Erde und die Umdrehung der Erde um die Sonne sind überhaupt nicht synchronisiert. Die Erde dreht sich wirklich 365,24219647 Mal während jeder Umdrehung (1992 ändert sich dieses Verhältnis jedes Jahr leicht, das tropische Jahr wird jedes Jahrhundert etwa eine halbe Sekunde kürzer); Selbst wenn wir die Definition der Zeit auf die Umdrehung der Erde um die Sonne festlegen, benötigen wir immer noch alle 4 Jahre ein Schaltjahr (was wir nicht brauchen würden, wären Schaltsekunden).

Ein weiterer Grund ist, dass eine genaue Zeitmessung unvergleichlich werden würde. Da die Umlaufzeit der Erde (dh das tropische Jahr) nicht konstant ist, haben Sie, wenn wir die Definition der Sekunde verwendet haben, um genau mit der Umlaufzeit übereinzustimmen, wann immer Sie eine genaue Zeitdauer angeben möchten, auch eine Um anzugeben, aus welchem ​​Jahr diese Definition der Sekunde stammt, benötigen Sie eine Tabelle, die die Länge der Sekunde jedes Jahres aufzeichnet.

Gibt es einen technischen Grund ... ?

Ja, denn mit der richtigen Ausrüstung kann jeder jederzeit ein Cäsium-133-Atom nehmen, es unter die angegebene Bedingung stellen und dieselbe Sekunde messen, und es wird sich nicht jährlich ändern, wie es die Sekunde der Erdrotation / -umdrehung tun würde. Soweit wir wissen, sollte die Frequenz von Cäsium-133 im Jahr 1978 die gleiche sein wie die Frequenz eines anderen Cäsium-133 im Jahr 2049.

Ja, es gibt einen sehr guten Grund, warum eine Sekunde, unsere Hauptzeiteinheit, so definiert wird: Präzision. Das genaueste Gerät, das wir haben (oder hatten), um die Zeit zu messen, sind Atomuhren ; würde man eine sekunde als 0,7 herzschlag definieren, wäre die präzision und konstanz dieser „eine sekunde“ deutlich schlechter. Einige der genauesten und verfügbaren Atomuhren basieren genau auf diesem Übergang von Cäsium. Wenn ein Atom ein Photon aussendet, während es auf ein niedrigeres Energieniveau fällt, ist die Frequenz des Lichts immer gleich.

In diesen laserbasierten Uhren hat man einen Strahl, der periodisch oszilliert, und die Schwingungen sind wirklich kohärent und genau, und man kann die Perioden buchstäblich zählen. Die genaue Zahl um 9,19 Milliarden wurde gewählt, um – innerhalb der verfügbaren Genauigkeit – mit den vorherigen Definitionen einer Sekunde übereinzustimmen, die ursprünglich als 1/86.400 eines durchschnittlichen Sonnentages definiert war. Heutzutage können unsere Uhren – Atomuhren – die Zeit genauer messen und auch Unregelmäßigkeiten in der Bewegung der Erde erkennen. Deshalb müssen wir manchmal auch Schaltsekunden usw. einfügen.

Wenn genauere Uhrentypen gebaut werden, werden die Definitionen gemäß diesen neuen Uhren aktualisiert.

Im Alltag hat ein Tag (Mitternacht bis Mitternacht) genau 86.400 Sekunden. Aber die Rotation der Erde um ihre Achse und die Bahn der Erde um die Sonne sind weder genau gleichförmig noch stabil. Die Rotation der Erde verlangsamt sich sehr allmählich, und es gibt eine Reihe von Faktoren, die dazu führen, dass „Mittag“ bei Sonnenbeobachtung manchmal mehr, manchmal weniger als 86.400 Sekunden vom vorhergehenden Sonnen-„Mittag“ entfernt ist. Wenn Sie über ein Sonnenjahr mitteln, werden Sie sicher sehr nah dran sein, aber über eine Reihe von Jahren werden Sie Variationen sehen.

Für wissenschaftliche und technische Zwecke muss die grundlegende Einheit für die Zeitmessung (die Sekunde) eine feste Definition haben, nicht eine, die alle paar Jahre aktualisiert wird, nur um mit dem Auftreten des Sonnenmittags Schritt zu halten. Atomuhren wurden also entwickelt, um eine stabile Referenz bereitzustellen, anhand derer die Sekunde ein für alle Mal definiert werden kann (bis oder sofern nicht festgestellt wird, dass aktuelle Atomuhren keine ausreichend stabile Referenz sind und es ein anderes messbares Phänomen gibt, das noch mehr ist stabil).

Für was es wert ist:

Schaltjahre haben nichts mit der Sekunde als Zeiteinheit zu tun. Schaltjahre treten auf, weil die Rotation der Erde um ihre Achse (von der wir unseren Tag erhalten) und die Umlaufbahn der Erde um die Sonne (von der wir unser Jahr erhalten) nicht durch eine ganze Zahl zusammenhängen und wir unsere Kalender behalten wollen in Übereinstimmung mit dem natürlichen Tag und Jahr.

Schaltsekunden treten auf, weil wir unseren mittleren Sonnentag gleichmäßig in Stunden, Minuten und Sekunden aufteilen möchten und der mittlere Sonnentag allmählich länger wird (die Erdrotation verlangsamt sich allmählich), aber wir möchten unsere Definition von nicht ändern der Zweite. Schaltsekunden werden nach Bedarf hinzugefügt, was etwas unregelmäßig vorkommt, da es eine Reihe von Faktoren gibt, die die Erdrotation beeinflussen.

Eine kurze Geschichte der Astronomie und der Zeitmessung

Vor langer Zeit fanden es die Menschen nützlich, die Zeit zu messen. Das erste Gerät zur Zeitmessung war so etwas wie ein Stock im Boden; Als die Sonne sich über den Himmel zu bewegen schien, warf der Stab einen sich bewegenden Schatten auf den Boden. Die Messung der Position des Schattens wurde zur ersten Zeitmessung.

Als der Bedarf an größerer Präzision und Genauigkeit entstand, wurden andere Geräte erfunden, wie Wasseruhren und schließlich Pendel- und Unruhuhren. Mit der Entwicklung der Elektronik konnte eine viel größere Präzision, Stabilität und Genauigkeit erreicht werden. Für einige Zwecke war eine noch höhere Präzision und Stabilität erforderlich, und so wurden Atomuhren entwickelt.

Als Uhren immer präziser wurden und die Bewegungen der Erde und anderer Himmelskörper mit immer feinerer Präzision gemessen wurden, stellte sich heraus, dass die Erde tatsächlich viele komplexe Bewegungen hat, die die beobachtete Position der Sonne am Himmel beeinflussen. Die Bewegungen „erster Ordnung“ sind die, die wir alle kennen – die Rotation der Erde um ihre Achse und die Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Die Umlaufbahn der Erde ist jedoch kein perfekter Kreis (es ist eine Ellipse), und die Parameter der Ellipse ändern sich im Laufe der Zeit. Außerdem ist die Rotationsachse der Erde nicht festgelegt – sie durchläuft im Laufe der Zeit eine komplexe Reihe von Präzessionen. All diese Dinge zusammen machen die wahre Länge eines Sonnentages und sogar eines Jahres unregelmäßig. Diese Schwankungen sind mit einer ausreichend genauen Uhr messbar.

Aus menschlicher, alltäglicher Sicht ist die grundlegende Zeiteinheit der Sonnentag, den wir in Stunden, Minuten und Sekunden unterteilen, was genau 86.400 Sekunden pro Tag ergibt. Ein Tag ist jedoch keine feste Zeitdauer, daher müssen wir eine Entscheidung darüber treffen, wie viel Zeit genau dargestellt wird, wenn eine Uhr eine Sekunde misst, sodass ein beobachteter Sonnentag nur ungefähr diese Anzahl von Sekunden beträgt. Für alltägliche Zwecke akzeptieren wir die Annäherung und passen unsere Uhren von Zeit zu Zeit an den Sonnentag an. Für wissenschaftliche Zwecke wird dem zweiten eine genaue Definition gegeben, die sich der bekannten annähert, aber auf dem stabilsten Phänomen basiert, das wir sinnvoll messen können (z. B. der Zustandsübergang eines Atoms).