Sekunde

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Sekunde (Begriffsklärung) aufgeführt.
Physikalische Einheit
Einheitenname Sekunde

Einheitenzeichen $ \mathrm {s} $
Physikalische Größe(n) Zeit, Zeitspanne
Formelzeichen $ t $
Dimension $ {\mathsf {T}} $
System System= unbekannt: MKfS
In SI-Einheiten Basiseinheit
In CGS-Einheiten Basiseinheit
Benannt nach lateinisch pars minuta secunda ‚zweiter verminderter Teil‘
Siehe auch: Jahr, Monat, Tag, Stunde, Minute, Tertie
Zehn Sekunden dargestellt mit einer Langzeitbelichtung einer Armbanduhr

Die Sekunde (Einheitenzeichens) ist die SI-Basiseinheit der Zeit. Sie ist etwa einen Herzschlag lang (Ruhepuls eines Erwachsenen).

Die Unterteilung der Stunde in 60 Minuten zu je 60 Sekunden findet sich bereits um das Jahr 1000 in einer Schrift von al-Biruni.[1] Als Secunda von lateinisch pars minuta secunda (‚zweiter verminderter Teil‘) ist sie seit dem 13. Jahrhundert bekannt. Im Jahre 1585 konstruierte Jost Bürgi erstmals eine Uhr mit Sekundenzeiger.[2]

Definition

Heutige Definition

Seit 1967 ist eine Sekunde das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entspricht.[3][4] Mit der Revision des SI im Jahr 2019 durch die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht[5] wurde der genaue Wortlaut der Definition geändert,[6] inhaltlich blieb die Definition der Sekunde jedoch bestehen.

$ \Delta \nu _{\mathrm {Cs} }=9\,192\,631\,770\;\mathrm {Hz} $

daraus folgt

$ 1\;\mathrm {s} ={\frac {9\,192\,631\,770}{\Delta \nu _{\mathrm {Cs} }}} $

Definitionsgemäß ist die Sekunde also das Vielfache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesium­atom in Resonanz ist. Daher wird sie als Atomsekunde bezeichnet. Atomuhren basieren auf der Messung dieses Übergangs. Ihre Präzision wurde seit der oben angegebenen Definition um mehr als vier Zehnerpotenzen[7] auf 10−16 gesteigert.[8]

Frühere Definitionen

Solange man von einer gleichmäßigen Erdrotation ausging, war die Sekunde der sechzigste Teil einer Minute des in 24 Stunden zu 60 Minuten eingeteilten Tages.

Um 1885 stellte Karl Friedrich Küstner (Bonner Sternwarte) fest, dass die Rotationsachse der Erde eine Polbewegung von 5 bis 10 Meter durchführt. Genauer wurde dies von Richard Schumann (TU Wien) und Seth Carlo Chandler (Harvard) analysiert und war der erste Hinweis darauf, dass sich auch die Rotationsdauer selbst verändert. Man konnte es aber mit den damals besten Uhren (Abweichung 0,05 Sekunden pro Tag) noch nicht nachweisen.

Dies gelang erst Adolf Scheibe und Udo Adelsberger 1934 an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt. Nach Ausräumung eigener Bedenken publizierten sie die Ergebnisse 1935 und präzisierten sie durch die von ihnen entwickelte Quarzuhr. Ab etwa 1950 wurde klar, dass die laufend verbesserten Quarzuhren ein besseres Zeitnormal wären als die Erdrotation. Die astronomische Tageslänge vergrößert sich nicht nur allmählich wegen der Gezeitenreibung, sondern zeigt auch unregelmäßige Änderungen durch Magma­ströme zwischen Erdmantel und Erdkern. Durch die Verlangsamung der Erdrotation verschiebt sich der Sonnentag gegenüber einem völlig gleichmäßigen Zeitmaß. Zur Kompensation muss alle zwei bis fünf Jahre eine Schaltsekunde eingefügt werden, um alle Uhren mit dem um einige Sekundenbruchteile länger werdenden Sonnentag zu synchronisieren.

Bis 1967 beruhte die Sekunde auf astronomischen Messungen:

  • Sonnensekunde (bis in die 1950er Jahre): Der Bruchteil 186 400 des mittleren Sonnentages. Diese Festlegung wurde eingeführt, damit ein durchschnittlicher Sonnentag 24 · 60 · 60 Sekunden lang ist. Das entspricht der Zeit, nach der eine fiktive mittlere Sonne wieder an gleicher Stelle steht. (Der Sonnentag ist ca. 4 Minuten länger als die Rotationsdauer der Erde, weil sich die Erde während des Tages um die Sonne bewegt und es daher etwas länger dauert, bis ein Punkt auf der Erde wieder zur Sonne gerichtet ist.)
  • Ephemeridensekunde: Der Bruchteil 131 556 925,9747 des tropischen Jahres am 0. Januar 1900 (= 31. Dezember 1899) um 12 Uhr UT. Er bezieht sich auf das damalige Verhältnis zwischen Jahresdauer und Erdrotation. Die Ephimeridensekunde wurde 1956 vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) als Sekunde definiert.[4][9]

Zukünftige Entwicklungen

Die Präzision, mit der die Sekunde realisiert werden kann (Stand 2018: ca. 10−16),[8] begrenzt die erreichbare Genauigkeit von Zeitmessungen in der Einheit „Sekunde“.[10] Mittlerweile sind Uhren entwickelt worden, die nicht auf Caesium-Atomen basieren und um bis zu zwei Größenordnungen präziser sind. Mit solchen Uhren als primärer Referenz ließen sich noch genauere Zeitmessungen erreichen. Voraussetzung dafür wäre eine Umdefinition der Maßeinheit.[8][11] Dies könnte 2030 geschehen.[12]

Mit der Sekunde zusammenhängende Einheiten

Die Einheit Sekunde ist mit verschiedenen Vorsätzen für Maßeinheiten (SI-Präfixe) in Verwendung, beispielsweise:

Präfix-Schreibweise Bezeichnung Dezimal
1 fs Femtosekunde 0,000 000 000 000 001 s
1 ps Pikosekunde 0,000 000 000 001 s
1 ns Nanosekunde 0,000 000 001 s
1 µs Mikrosekunde 0,000 001 s
1 ms Millisekunde 0,001 s

Als größere Zeiteinheiten sind Minute, Stunde und Tag üblich und in der Europäischen Union und der Schweiz gesetzliche Maßeinheiten. Vergrößernde SI-Vorsätze wie „Megasekunde“ (= 1 000 000 s = 11 Tage 13 h 46 min 40 s) sind zwar zulässig, aber sehr unüblich.

Von der Sekunde abgeleitet sind die Einheiten „Hertz“ (1 Hz = 1 s−1) für periodische Ereignisse und „Becquerel“ (1 Bq = 1 s−1) für (Radio-)Aktivität.

Trivia

Mit Einführung des französischen Revolutionskalenders 1792 wurde der Versuch unternommen, die Einteilung eines Tages auf das Dezimalsystem umzustellen. Ein Tag wurde in zehn Stunden geteilt, eine Stunde in einhundert Minuten und eine Minute in einhundert Sekunden. Demnach hatte ein Tag 100 000 Sekunden gegenüber 86 400 Sekunden herkömmlicher Bestimmung. Für die kleinste Zeiteinheit war diese Dezimalzeit von unmerklicher Auswirkung, da sie lediglich um etwa 15 % kürzer war. Die Auswirkungen auf die beiden nächsthöheren Zeiteinheiten waren deutlich stärker. Die Dezimalminute war fast eineinhalb Mal so lang, die Dezimalstunde fast zweieinhalb Mal so lang.

Eine Sekunde kann hexagesimal in sechzig kleine Zeiteinheiten, die Tertien, unterteilt werden. Dies ist aber völlig ungebräuchlich.

Weblinks

 Wiktionary: Sekunde – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. C. E. Sachau: The chronology of ancient nations. An English version of the Arabic text of the Athâr-ul-Bâkiya of Albîrûnî, or “Vestiges of the Past”. London 1879, S. 147–149.
  2. Schweizerische Physikalische Gesellschaft: Jost Bürgi erfand nicht nur die Sekunde. Auf: sps.ch.
  3. Resolution 1 of the 13th CGPM. SI unit of time (second). Bureau International des Poids et Mesures, 1967 (english).
  4. 4,0 4,1 SI Brochure: The International System of Units (SI), 9. ed. In: bipm.org. Bureau International des Poids et Mesures (english, français).
  5. Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures, 2018 (english).
  6. Die offizielle deutsche Übersetzung der Definition lautet: „Die Sekunde, Einheitenzeichen s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie ist definiert, indem für die Cäsiumfrequenz ΔνCs, der Frequenz des ungestörten Hyperfeinübergangs des Grundzustands des Cäsiumatoms 133, der Zahlenwert 9 192 631 770 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s−1 ist.“ Neue Definitionen im Internationalen Einheitensystem (SI). PTB (PDF; 1,3 MB).
  7. Tagungsbericht der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, 1967, Seite 56 (französisch) – hier wird die Präzision von Caesium-Atomuhren mit ca. 10−12 beziffert.
  8. 8,0 8,1 8,2 Tagungsbericht der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, 2018, Seite 70 (französisch) und Seite 347 (englisch), abgerufen am 7. Okt. 2020: „Die heutigen ultrastabilen, lasergekühlten Caesiumuhren haben eine Genauigkeit von ca. 10−16. (...) mittlerweise übertreffen optische Uhren die Atomuhren mit gekühlten Caesium-Fontänen um zwei Größenordnungen. Dies könnte in der Zukunft zu einer möglichen Neudefinition der Sekunde führen.“ (inoffizielle Übersetzung)
  9. Resolution 9 of the 11th CGPM. Definition of the unit of time (second). Bureau International des Poids et Mesures, 1960 (english).
  10. SI-Broschüre 9. Auflage (2019), Anhang 4, Teil 1. Bureau International des Poids et Mesures, 2019, S. 1 (english, français).
  11. Consulting Committee for Units (CCU), Report of the 22nd meeting. Kapitel 11.1: Conditions and timeline for the redefinition of the second. Bureau International des Poids et Mesures, 16. Juni 2016 (english).
  12. Resolutionsentwürfe für die 27. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im November 2022, Entwurf E, S. 9 (französisch) und S. 25 (englisch), Hrsg.: BIPM, abgerufen am 14. Februar 2022

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