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单位制 国际单位制基本单位
量的名称 时间
符号 s
单位换算
1 s 相当于
        =1/60 分钟
图中的闪烁约一秒一次

国际单位制时间的基本单位[1],符号是s。有时也会借用英文缩写标示为sec.[2]。秒在英文里的原始词义是计算小时的六十分之一(分钟)后,再计算六十分之一[3]。在西元1000至1960年之间,秒的定义是平均太阳日的1/86,400(在一些天文及法律的定义中仍然适用)[4]。在1960至1967年之间,定义为1960年地球自转一周时间的1/86,400[5],现在则是用原子的特性来定义。秒也可以用机械、电子钟或原子钟来计时。

国际单位制词头经常与秒结合以做更细微的划分,例如ms(毫秒,千分之一秒)、µs(微秒,百万分之一秒)和ns(奈秒,十亿分之一秒)。虽然国际单位制词头虽然也可以用于扩增时间,例如ks(千秒)、Ms(百万秒)和Gs(十亿秒),但实际上很少这样子使用,大家都还是习惯用60进位的分、时和24进位的日做为秒的扩充。

秒不但是国际单位制中时间的基本单位,也是公分-克-秒制米-公斤-秒制米-公顿-秒制英制单位下的时间基本单位。

世界公认的秒[编辑]

在现行国际单位制下,在1967年召开的第13届国际度量衡大会对秒的定义是:133原子基态的两个超精细能阶跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。[5]这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场[5]在这样的情况下被定义的秒,与天文学上的历书时所定义的秒是等效的。

秒的国际标准符号可以参考ISO 31-1英语ISO 31-1

2019年,国际时间频率咨询委员会将讨论“秒”的重新定义问题。[6]

与其他时间单位的关系[编辑]

1 国际秒相当于:

历史的起源[编辑]

在机械钟表之前[编辑]

本来,时被分割为60分,分又被分割为60秒。在有些语系中,像是波兰语(tercja)和阿拉伯语(ثالثة),也以60进位制被再细分,但在现代,都是以十进位法来细分小数点以下的时间。

六十进位制来自巴比伦,他们以六十这个因素做为计算数量的单位。但是巴比伦人并没有将分割为60分,而是古埃及将一分为12时的白天和12时的夜晚,他们也这样子来区分四季。古希腊天文学家,包括希巴谷托勒密,定义太阳日的24分之一为。 以六十进位细分时,使得秒是一太阳日的86,400分之一。古希腊的时间周期,像是平朔望月定义得非常精确,因为他们不是观察单一的朔望月,而是以相距数百年的来测量朔望月的平均长度(日数)。

利用机械钟表计时[编辑]

最早可以显示秒的时钟出现在十六世纪的后半。最早用发条驱动,有秒针的钟是一个没有刻度,上面有奥菲斯的钟,是Fremersdorf收藏的一部份,年代约在1560年至1570年之间[7]:417–418[8]。在1550至1575年之间,塔居丁·穆罕默德·伊本·马鲁夫英语Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf作了一个钟,每1/5分就有一个刻度[9]。1579年时,Jost Bürgi为黑森-卡塞尔之威廉四世英语William IV, Landgrave of Hesse-Kassel作了一个钟,上面有秒的刻度[7]:105。1581年时第谷·布拉赫在他的天文台中重新设计一个时钟,可以显示分及秒,但秒的计时不够精确。1587年时第谷·布拉赫抱怨他的四个钟差了正负四秒[7]:104

摆钟的出现使得人们首次可以精确的计时到秒。马兰·梅森在1644年计算长度39.1英吋((0.994 m)的单摆在标准重力下周期为2秒,单摆从最低点摆动,一秒后会回到原点,因此可以精准的计时到秒。

秒摆的摆长在1660年被伦敦皇家学会提出作为长度的单位,在地球表面,摆长约一米的单摆,一次摆动或是半周期(没有反复的一次摆动)的时间大约是一秒。 [10]摆钟的发明可以计算平时(相对于日晷所显示的视时),使得秒成为可测量的时间单位。

现在的量测[编辑]

“秒”这个时间单位的英文second在16世纪末出现在英文中,约比精确测量到秒的时间要晚一百年。用拉丁文写作的人,包括罗吉尔·培根第谷·布拉赫约翰内斯·克卜勒等科学家仍使用拉丁文的secunda,意思和1200年时的意思相同。

1832年时高斯提议用秒作为厘米-克-秒制的时间单位。英国科学促进协会英语British Association for the Advancement of Science(BAAS)在1862年表示“所有科学界的人都同意用平均太阳日计算的秒为时间单位。”[11]。BAAS在1874年正式的提出公分-克-秒制,不过在70年后被米-公顿-秒制取代。公分-克-秒制及米-公顿-秒制都以秒为时间单位,定义为平均太阳日的1/86,400。

在1956年,秒被以特定历元下的地球公转周期来定义,因为当时天文学家知道地球在自转轴上的自转不够稳定,不足以作为时间的标准。纽康的太阳表以1900年的历元描述太阳的运动,所依据的是1750年至1892年的观测。在1956年,[5]秒的定义如下:

历书时1900年1月0日12时起算的回归年的31,556,925.9747分之一为一秒[5]

在1960年,这个定义由第十一次的国际度量衡会议通过。虽然这个定义中的回归年的长度不能进行实测,但可以经由线性关系的平回归年的算式推导,因此,有一个具体的瞬时回归年长度可以参考。因为秒是用于大半个20世纪太阳和月球的星历表中的独立时间变数(纽康的太阳表从1900年使用至1983年,布朗英语Ernest William Brown的月球表从1920年使用至1983年),因此这个秒被称为历书秒[5]

随著原子钟的发展,秒的定义决定改采用原子时做为新的定义基准,而不再采用地球公转太阳定义的历书秒。

经过多年的努力,英国国家物理实验室路易斯·埃森英语Louis Essen美国海军天文台威廉·马克维兹英语William Markowitz测量出原子的超精细跃迁周期和历书秒的关系。[5]使用过去普通的测量方法,接收来自无线电台WWV的讯号,[12]再使用一个原子钟来测量时间,他们确定了月球相对于地球的轨道运动,也推断出太阳表面可能有相对于地球的运动。结果,在1967年的第13届国际度量衡会议上决定以原子时定义的秒作为时间的国际标准单位:

133原子基态的两个超精细能阶跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。[5]

在70年代体认到引力时间膨胀会导致在不同高度的原子钟有不同的秒,因此每个原子钟都必须改正为在平均海平面的高度,以取得一致的秒(大地水平面的自转约改变×10−10的秒长,在1977年开始修正并且在1980年已经制度化了。)。用相对论的术语来说,秒被定义成在转动的大地水平面上原时[13]

在1977年,在BIPM的会议中又重新定义,加进了新的陈述:

铯原子在0k下是静止不动的。(This definition refers to a caesium atom at rest at a temperature of 0 K.

修正过的定义似乎暗示理想的原子钟将只有静止的一个铯原子发射出单一的频率。在实务上,无论如何,这个定义意味着在那些原子钟之内的运作和外推的数值,秒的高精密度应该如上所述的考量到周围温度的补偿(黑体辐射)。

秒的各级单位[编辑]

国际单位制的前置词可以放在秒的前面,表示比秒要短的时间,但很少用此方式表示比一秒要长的时间(公制时间英语Metric time)。比一秒要长的时间一般会用非国际单位制的单位,如分钟小时儒略年、世纪或千年等单位表示。

秒(s)的SI倍数
分数 倍数
符号 名称 符号 名称
10−1 s ds 分秒 101 s das 十秒
10−2 s cs 厘秒 102 s hs 百秒
10−3 s ms 毫秒 103 s ks 千秒
10−6 s µs 微秒 106 s Ms 兆秒
10−9 s ns 纳秒 109 s Gs 吉秒
10−12 s ps 皮秒 1012 s Ts 太秒
10−15 s fs 飞秒 1015 s Ps 拍秒
10−18 s as 阿秒 1018 s Es 艾秒
10−21 s zs 仄秒 1021 s Zs 泽秒
10−24 s ys 幺秒 1024 s Ys 尧秒
常用单位以粗体表示

其他的定义方式[编辑]

有时需要用其他和国际单位制不同的定义方法来定义秒。像国际天文联合会定义世界时的UT0、UT1及UT2系统是以地球自转为基准得到的时间尺度,就是这様的系统。McCarthy和Seidelmann没有说明SI制的秒是世界上时间计算的法定标准,他们只说“在这些年来UTC或是成为许多国家法定时间的基础,或是成为事实上的常用时间基准。”[14]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Unit of time (second). SI Brochure. BIPM. [2013-12-22]. 
  2. ^ Second. Merriam Webster Learner's Dictionary. 
  3. ^ Online Etymology Dictionary. 
  4. ^ Unit of time (second). NIST. [2014-11-04] (中文). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Leap Seconds. Time Service Department, United States Naval Observatory. [2012-03-24]. 
  6. ^ 我国对确定国际标准时间有了表决权. [2015-02-03]. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Landes, David S. Revolution in Time. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. 1983. ISBN 0-674-76802-7. 
  8. ^ Willsberger, Johann. Clocks & watches. New York: Dial Press. 1975. ISBN 0-8037-4475-7.  full page color photo: 4th caption page, 3rd photo thereafter (neither pages nor photos are numbered).
  9. ^ Helaine Selin. Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Westen Cultures. Springer Science & Business Media. 1 January 1997: 934–. ISBN 978-0-7923-4066-9. 
  10. ^ The seconds pendulum. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. [2014-11-04] (英语). 
  11. ^ Jenkin (编). Reports of the committee on electrical standards. British Association for the Advancement of Science: 90. 1873. 
  12. ^ Leschiutta, Sigfrido. The definition of the 'atomic' second. Metrologia: S10–S19. 
  13. ^ R. A. Nelson et al., "The leap second: its history and possible futurePDF (381 KiB)", Metrologia 38 (2000) 509-529, p. 515.
  14. ^ McCarty, D. D.; Seidelmann, P. K. TIME From Earth Rotation to Atomic Physics. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 2009: 68, 232. 

外部链接[编辑]