Sekunda

Rozbalit box

Obsah boxu

Sekunda (symbol s) je základní jednotka času. V běžné mluvě se často používá i slovo vteřina, které však v odborném, technickém a právním kontextu není považováno za správné. Sekunda tvoří základ pro měření všech časových intervalů, od nejkratších procesů v mikrosvětě po stáří vesmíru.

Současná definice sekundy je založena na vlastnostech atomů césia-133.

⚛️ Oficiální definice

Podle Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (BIPM) je od roku 2019 platná následující definice, která fixuje číselnou hodnotu cesiové frekvence:

Sekunda, symbol s, je jednotka SI pro čas. Je definována fixováním číselné hodnoty cesiové frekvence Δν_Cs, přechodové frekvence atomu cesia 133 v klidovém stavu při přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu, rovné 9 192 631 770, je-li vyjádřena v jednotce Hz, jež je rovna s⁻¹.

Tato definice předpokládá atom cesia v klidovém stavu při teplotě absolutní nuly (0 K) a bez vnějších rušivých vlivů, což jsou ideální podmínky, kterých v praxi nelze zcela dosáhnout. Měření se proto provádějí při extrémně nízkých teplotách a výsledky jsou korigovány.

⏳ Historie

Chápání a definice sekundy prošly dlouhým vývojem, od astronomických pozorování až po kvantovou fyziku.

🌍 Astronomická éra

Původní dělení času pochází od Babyloňanů, kteří používali šedesátkovou číselnou soustavu. Den byl rozdělen na 24 hodin, hodina na 60 minut a minuta na 60 sekund. Z tohoto dělení vznikla první definice sekundy jako 1/86 400 středního slunečního dne.

Ve 20. století se však ukázalo, že rotace Země není konstantní – zpomaluje se vlivem slapových sil a vykazuje nepravidelnosti. To vedlo k potřebě přesnější definice. V roce 1956 byla sekunda definována jako 1/31 556 925,9747 tropického roku 1900. Tato tzv. efemeridová sekunda byla založena na oběhu Země kolem Slunce.

⚛️ Atomová éra

S vynálezem atomových hodin v 50. letech 20. století se otevřela cesta k mnohem přesnějšímu a stabilnějšímu měření času. V roce 1967, na 13. Generální konferenci pro míry a váhy, byla přijata definice založená na kmitání atomu césia-133. Tato definice byla od té doby několikrát mírně upřesněna, naposledy v roce 2019, aby odpovídala modernímu formátu definic jednotek SI založených na fundamentálních konstantách.

🚀 Budoucnost: Optické hodiny

V současnosti probíhá výzkum směřující k budoucí redefinici sekundy pomocí tzv. optických atomových hodin. Tyto hodiny využívají atomy (např. stroncium, ytterbium nebo hliník), které kmitají na mnohem vyšších frekvencích (v optické, tedy viditelné části spektra), což umožňuje dosáhnout až tisíckrát vyšší přesnosti než u césiových hodin. Mezinárodní metrologická komunita plánuje redefinici sekundy na základě optických hodin kolem roku 2030.

🌍 Přestupná sekunda

Protože se rotace Země mírně zpomaluje, čas odvozený od této rotace (UT1) se postupně rozchází s extrémně přesným Mezinárodním atomovým časem (TAI). Aby se tento rozdíl vyrovnal a aby se čas běžně používaný ve společnosti (UTC) udržel v synchronizaci se slunečním dnem, byla od roku 1972 zavedena tzv. přestupná sekunda.

Přestupná sekunda se vkládá (obvykle 30. června nebo 31. prosince), když rozdíl mezi UTC a UT1 dosáhne téměř 0,9 sekundy. Tento mechanismus však způsobuje technické problémy v moderních digitálních systémech, jako jsou satelitní navigace (GPS) nebo počítačové sítě. Z tohoto důvodu bylo na Generální konferenci pro míry a váhy rozhodnuto o zrušení přestupné sekundy, které by mělo vstoupit v platnost nejpozději do roku 2035.

💡 Pro laiky: Co je to sekunda?

Představit si, jak krátká a zároveň přesně definovaná je jedna sekunda, může být obtížné. Zde je několik přirovnání:

• Vyslovení číslovky: Doba, za kterou pomalu a zřetelně vyslovíte "jednadvacet", je přibližně jedna sekunda.
• Tlukot srdce: Srdce dospělého člověka v klidu udeří zhruba jednou za sekundu.
• Cesta světla: Za jedinou sekundu urazí světlo ve vakuu vzdálenost téměř 300 000 kilometrů. To je jako sedm a půlkrát obletět Zemi na rovníku.
• Počítačový procesor: Moderní procesor (CPU) v počítači provede za jednu sekundu několik miliard operací.

Atomová definice je tak neuvěřitelně přesná, že césiové atomové hodiny by se o jednu sekundu odchýlily až za více než 100 milionů let.

🔢 Násobky a díly

Kromě základní jednotky se v praxi běžně používají její dekadické násobky a díly, které se tvoří pomocí předpon SI.

• Kilosekunda (ks): 1 000 sekund (16,67 minut)
• Milisekunda (ms): 0,001 s (tisícina sekundy)
• Mikrosekunda (μs): 0,000 001 s (miliontina sekundy)
• Nanosekunda (ns): 0,000 000 001 s (miliardtina sekundy). Světlo za tuto dobu urazí asi 30 cm.
• Pikosekunda (ps): 10⁻¹² s (biliontina sekundy)
• Femtosekunda (fs): 10⁻¹⁵ s (biliardtina sekundy). V tomto řádu se odehrávají chemické reakce.
• Attosekunda (as): 10⁻¹⁸ s (triliontina sekundy). V tomto měřítku se měří pohyb elektronů v atomech.

Pro delší časové úseky se používají vedlejší jednotky, které nejsou součástí SI, ale jsou akceptovány pro použití s ní:

• Minuta (min): 60 s
• Hodina (h): 3 600 s
• Den (d): 86 400 s

🔬 Využití ve vědě a technice

Sekunda jako základní jednotka času je klíčová pro definici mnoha dalších fyzikálních jednotek a pro fungování moderních technologií:

• Metr: Od roku 1983 je metr definován jako vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy.
• Hertz: Jednotka frekvence, definovaná jako jeden cyklus za sekundu (s⁻¹).
• Becquerel: Jednotka radioaktivity, definovaná jako jedno jaderné štěpení za sekundu.
• Ampér: Definice ampéru je navázána na elementární náboj a sekundu.
• Telekomunikace: Přesná synchronizace času v řádu nanosekund je nezbytná pro fungování mobilních sítí a internetu.
• Satelitní navigace (GPS, Galileo): Přijímače určují polohu porovnáním časových signálů z několika satelitů. Chyba v měření času o jedinou mikrosekundu by vedla k chybě v určení polohy o 300 metrů.

🤔 Zajímavosti

• Původ názvu "sekunda" pochází z latinského pars minuta secunda, což znamená "druhá zmenšená část" (hodiny), zatímco minuta byla pars minuta prima ("první zmenšená část").
• Během Francouzské revoluce byl učiněn pokus zavést tzv. decimální čas, kde by den měl 10 hodin, hodina 100 minut a minuta 100 sekund. Tento systém se však neujal.
• William Thomson, známý jako lord Kelvin, po němž je pojmenována jednotka teploty, se významně podílel na pokládání prvních transatlantických telegrafních kabelů a vypočítal pro ně optimální rychlost přenosu signálu.

Zdroje

Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM) National Institute of Standards and Technology (NIST) Aldebaran - Nové definice jednotek SI Techmania Science Center