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秒（記号：s）は、1日をまず時間、次に分、最後に秒に分割することによって得られる時間の単位であり、1日あたり24×60× 60＝86,400秒となります。地球の自転の1/86,400に基づいたこの定義は、現在でも協定世界時1 （UT1）システムで使用されています。
国際単位系（SI） における現在の正式な定義は、より正確である。
2番目の[...]は、セシウム(Cs)周波数ΔνCs 、 Cs -133原子の摂動を受けていない基底状態超微細遷移周波数の固定数値を、単位ヘルツ(s-1)で表すと9192631770と定義される。[ 1 ]
この現在の定義は、セシウム時計を用いて自然の基本的な性質に基づいて秒を定義することが可能になった1967年に採用されました。[ 2 ]地球の自転速度は変化し、ごくわずかに遅くなっているため、時計を地球の自転と同期させるために、不規則な間隔で閏秒が常用時間に挿入されます[注1 ] 。
「分」はラテン語のpars minuta primaに由来し、「最初の小さな部分」、つまり時間を60に分割する最初の部分を意味します。 「秒」はpars minuta secundaに由来し、「2番目の小さな部分」、つまり再び60に分割する部分を意味します。[ 3 ]
アナログ時計の文字盤には、秒（と分）を表す60個の目盛りがあり、秒針で時間の経過を秒単位で示します。デジタル時計の文字盤には、2桁の秒カウンターが付いていることがよくあります。
SI接頭辞は、秒の細分を表すために秒という単語とよく組み合わされます。例えば、ミリ秒（千分の一）、マイクロ秒（百万分の一）、ナノ秒（十億分の一）、そして場合によってはさらに小さな秒の単位などです。秒の倍数は通常、時間と分で数えられます。SI接頭辞はキロ秒（千分の一秒）のように秒の倍数を作るためにも使用できますが、実際にはそのような単位はほとんど使用されません。秒の小さな分数を日常的に経験する例としては、サイクルタイムが1ナノ秒の1ギガヘルツのマイクロプロセッサが挙げられます。カメラのシャッタースピードは、 1 / 30秒や1/1000秒のように、秒の分数で表されることがよくあります。
天体観測に基づく暦による1日の60進法による区分は紀元前3千年紀から存在していたが、それは今日私たちが知っているような秒ではなかった。 [ 4 ]当時は時間の細かい区分を計測することができなかったため、そのような区分は数学的に導き出された。秒を正確に数えることができる最初の計時装置は、17世紀に発明された振り子時計であった。1950年代以降、原子時計は地球の自転よりも優れた計時装置となり、今日でも標準となっている。
地球の相対的な自転位置の測定に依存しない機械式時計は、その時計固有の精度の範囲内で、平均時と呼ばれる一定の時間を刻みます。つまり、時計が刻むすべての秒、分、その他の時間の区分は、他の同じ時間の区分とも同じ長さになります。一方、太陽の相対的な位置（見かけの時間）を測定する日時計は、一定の時間を刻みません。日時計が刻む時間は季節によって変化するため、秒、分、その他の時間の区分は、季節によって長さが異なります。平均時と見かけの時間で測定される時刻は最大で15分も異なる場合がありますが、1日と翌日の差はわずかです。15分というのは、1年の一部期間における累積差です。この差は主に、地球の自転軸が太陽の周りを公転する軌道に対して傾いていることに起因します。
天文学者は古代から、見かけの太陽時と平均時との差を認識していたが、17世紀半ばに高精度な機械式時計が発明される以前は、日時計が唯一信頼できる計時装置であり、見かけの太陽時が唯一一般的に受け入れられていた標準であった。
秒の端数は通常、10進数表記で表され、例えば 2.01 秒、または 2 と 100 分の 1 秒とします。秒の倍数は通常、分と秒、または時計の時刻の時、分、秒をコロンで区切って表され、例えば 11:23:24、または 45:23 とします (後者の表記は、時と分を表すのに同じ表記が使われるため、曖昧さを生じる可能性があります)。時間や日などの長い期間を秒で表すことは、扱いにくいほど大きな数値になるため、ほとんど意味がありません。メートル法の秒の単位には、10 −30 秒から 10 30秒を表す10 進接頭辞があります。
時間の一般的な単位（秒）には、1分が60秒、1時間が3,600秒、1日が86,400秒、1週間が604,800秒、1年（閏年を除く）が31,536,000秒、そして（グレゴリオ暦の）1世紀が平均3,155,695,200秒（閏秒を除く）などがあります。天文学では、ユリウス年は正確に31,557,600秒です。
秒単位で表せる一般的な出来事には、次のようなものがあります。石は静止状態から1秒間に約4.9メートル落下します。長さ約1メートルの振り子は1秒間に1回揺れるため、振り子時計の振り子の長さは約1メートルです。人間の最速の短距離走者は1秒間に10メートル走ります。深海の波は1秒間に約23メートル進みます。音は空気中で1秒間に約343メートル進みます。光は月の表面から地球に到達するのに1.3秒かかり、その距離は384,400キロメートルです。
秒は、ヘルツ（逆秒またはs⁻¹ ）で測定される周波数、メートル毎秒の速度、メートル毎秒の二乗の加速度など、他の単位に直接含まれています。放射性崩壊の尺度であるメートル法の単位ベクレルは逆秒で測定され、秒の高次のべき乗は、ジャークなどの加速度の導関数に関係しています。日常生活の多くの派生単位は、秒ではなくより大きな時間の単位で報告されますが、最終的にはSI秒で定義されます。これには、時間と分で表される時間、キロメートル毎時またはマイル毎時の自動車の速度、キロワット時の電力使用量、ターンテーブルの回転数毎分などが含まれます。
さらに、他のほとんどのSI基本単位は秒との関係によって定義されています。メートルは、光速（真空中）を正確に299,792,458 m/sに設定することによって定義されます。キログラム、アンペア、ケルビン、カンデラ といったSI基本単位の定義も秒に依存しています。定義が秒に依存しない唯一の基本単位はモルであり、22ある派生単位のうち、ラジアンとステラジアンの2つだけが秒に依存しません。
世界中の原子時計は合意に基づいて時刻を刻んでいます。時計は正しい時刻について「投票」し、投票に参加したすべての時計は、国際原子時（TAI）と呼ばれる合意に一致するように調整されます。TAIは原子秒を「刻む」ことで時刻を刻みます。[ 5 ]： 207-218
市民時間は地球の自転に合わせるように定められています。国際的な時刻基準は協定世界時（UTC）です。この時刻尺度はTAIと同じ原子秒を使用しますが、地球の自転速度の変動を補正するために必要に応じて閏秒を挿入または省略します。 [ 5 ]： 16-17、207
秒が原子秒と完全に等しくない時間尺度は、世界時の一種であるUT1です。UT1は、太陽に対する地球の自転によって定義され、閏秒は含まれていません。[ 5 ]： 68、232 UT1は常にUTCと1秒未満の差があります。
可視光スペクトルの周波数を持つ光格子時計は、まだどの時間計測標準にも含まれていないが、現在存在し、あらゆる時計の中で最も正確である。 2010年代には、可視光の赤色領域の周波数430 THzのストロンチウム時計が精度記録を保持していた。この時計は、推定宇宙年齢よりも長い150億年で1秒未満しか進まない。このような時計は、重力による時間の遅れによる速度の変化によって、わずか2 cmの高度の変化を測定できる。[ 6 ]
秒の定義はこれまで3つしか存在しなかった。1日の割合、推定1年の割合、そしてセシウム原子時計のマイクロ波周波数であり、いずれも1日を60進法で分割するものである。
古典期以前の文明では、暦の区分や弧は六十進法を用いており、当時の秒は現代の秒（＝時／60×60）のように時間の区分ではなく、一日の六十進法による区分（古代の秒＝日／60×60）でした。日時計や水時計は最も 初期の計時装置であり、時間の単位は 弧の度数で測定されていました。日時計で実現できるよりも小さい概念的な時間の単位も使用されていました。
中世の自然哲学者の著作には、太陰月の一部として「秒」という表現が見られるが、これは機械的に測定できない数学的な区分であった。[注2 ] [注3 ]
14世紀に登場した初期の機械式時計は、時間を2分の1、3分の1、4分の1、時には12分の1に分割する表示を備えていましたが、60分の1に分割するものはありませんでした。実際、時間の長さは一定ではなかったため、60分に分割することは一般的ではありませんでした。16世紀末近くに分を表示する最初の機械式時計が登場するまで、計時係が分を考慮することは実用的ではありませんでした。機械式時計は、日時計が表示する見かけの時間とは異なり、平均時間を計測していました。その頃には、ヨーロッパでは60進法による時間の分割が確立されていました。[注4 ]
秒を表示する最古の時計は、16 世紀後半に登場しました。秒は機械式時計の開発により正確に測定できるようになりました。秒針が秒を示す最古のゼンマイ駆動の時計は、フレマースドルフ コレクションにあるオルフェウスを描いた無名の時計で、1560 年から1570 年の間に作られたものです。 [ 9 ] : 417–418 [ 10 ] 16 世紀の第 3 四半期には、タキ アルディンが1/5分ごとに目盛りの付いた時計を作りました。[ 11 ] 1579 年に、ヨスト ビュルギはヘッセンのヴィルヘルムのために秒を示す時計を作りました。 [ 9 ] : 105 1581 年に、ティコ ブラーエは、天文台で分のみを表示していた時計を再設計し、秒も表示するようにしましたが、秒は正確ではありませんでした。 1587年、ティコ・ブラーエは自身の4つの時計の誤差がプラスマイナス4秒であると不満を述べた。[ 9 ]： 104
1656年、オランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスは世界初の振り子時計を発明した。振り子の長さは1メートル弱で、1秒ごとに揺れ、脱進機によって毎秒時を刻んだ。これは秒単位で正確に時間を刻むことができる最初の時計だった。それから80年後の1730年代には、ジョン・ハリソンの航海用クロノメーターが100日で1秒以内の精度で時間を刻むことができた。
1832年、ガウスはミリメートル・ミリグラム・秒単位系において、秒を時間の基本単位として使用することを提案した。 1862年、英国科学振興協会（BAAS）は「すべての科学者は、平均太陽時の秒を時間の単位として使用することに同意している」と述べた。[ 12 ] BAASは1874年に正式にCGSシステムを提案したが、このシステムはその後70年かけて徐々にMKS単位に置き換えられた。CGSシステムとMKSシステムはどちらも同じ秒を時間の基本単位として使用した。MKSは1940年代に国際的に採用され、秒を平均太陽日の1 / 86,400と定義した。
1940年代後半のある時期に、動作周波数約100kHzの水晶発振器時計が 進歩し、 1日の動作期間において10⁸分の1よりも高い精度で時間を刻むことができるようになった。こうした時計の精度は、地球の自転よりも優れていることが明らかになった。また、地球の太陽周回軌道（1年）は地球の自転よりもはるかに安定していることも、計量学者たちは知っていた。こうしたことから、1950年には早くも秒を1年の分数として定義するという提案がなされた。
地球の運動は、ニューカムの太陽表（1895 年）で記述されており、1750 年と 1892 年の間に行われた天文観測に基づいて、1900 年を基準とした太陽の運動を推定する式が提供されました。[ 13 ]これにより、1952 年にIAUによって、その時点での恒星年を単位とする暦の時間尺度が採用されました。 [ 14 ]この外挿された時間尺度は、天体の観測された位置をニュートンの運動力学理論に一致させます。[ 13 ] 1955 年に、恒星年よりも基本的であると考えられていた回帰年が、時間の単位として IAU によって選択されました。定義における回帰年は測定されたものではなく、時間の経過とともに直線的に減少する平均回帰年を記述する式から計算されました。
1956年、秒は当該時代を基準とした年数として再定義された。したがって、秒は「 1900年1月0日12時時刻の熱帯年における1 / 31,556,925.9747の分数」と定義された。 [ 13 ]この定義は1960年に国際単位系の一部として採用された。[ 15 ]
最も優れた機械式、電動式、水晶発振器式の時計でさえ、環境条件によって誤差が生じます。時間計測には、エネルギーを与えられた原子の自然で正確な「振動」の方がはるかに優れています。振動（すなわち放射）の周波数は、原子の種類と励起方法によって非常に特定されます。[ 16 ] 1967年以来、秒は正確に「セシウム133原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期の継続時間」と定義されています。この秒の長さは、以前に定義された暦秒の長さと正確に一致するように選択されました。原子時計は、この周波数を使用して、その周波数での1秒あたりのサイクル数をカウントすることで秒を測定します。この種の放射は、自然界で最も安定していて再現性の高い現象の1つです。現在の世代の原子時計は、数億年に1秒以内の精度です。 1967年以降、セシウム133以外の原子に基づく原子時計が開発され、精度が100倍向上した。そのため、秒の新しい定義が計画されている。[ 17 ]
原子時計は現在、1秒の長さと世界の標準時刻を定めている。 [ 5 ]： 231-232
2022年、秒の最良の実現は、IT-CsF2、NIST-F2、NPL-CsF2、PTB-CSF2、SU-CsFO2、SYRTE-FO2などのセシウム一次標準時計によって実現されています。これらの時計は、磁気光学トラップ内でセシウム原子の雲を1マイクロケルビン（10⁻⁶ K）までレーザー冷却することによって機能します。これらの冷却された原子は、レーザー光によって垂直に打ち上げられます。その後、原子はマイクロ波共振器内でラムゼー励起を受けます。励起された原子の割合は、レーザービームによって検出されます。これらの時計は、5 × 10⁻¹⁶の系統誤差は、1日あたり50ピコ秒に相当する。世界各地にある複数の噴水型原子時計システムが国際原子時（IAT）の基準時刻に寄与している。これらのセシウム原子時計は、光周波数測定の基盤ともなっている。
光時計は、イオンまたは原子における禁制光遷移に基づいています。その周波数は約10～15Hz 、 自然線幅通常は 1 Hz なので、Q 係数は約10 15、あるいはそれ以上。マイクロ波時計よりも安定性が高く、より低い不確実性の評価を容易にします。また、時間分解能も高く、時計の「刻み」が速くなります。[ 18 ]光時計は、単一のイオン、または光格子を使用します。10 4 –10 6個の原子。
リュードベリ定数に基づく定義では、その値を特定の値に固定する必要がある。リュードベリ定数は、非相対論的近似を用いて水素原子のエネルギー準位を記述する。。
リュードベリ定数を修正する唯一の現実的な方法は、水素を捕捉して冷却することです。これは、水素が非常に軽く、原子が非常に速く運動するため、ドップラーシフトが発生するため困難です。水素を冷却するために必要な放射線は、121.5 nmも難しい。もう一つの課題は、QED計算の不確実性を改善すること、特に水素原子の1s-2s遷移におけるラムシフトを改善することである。 [ 19 ]
再定義には、光クロックの信頼性の向上を含める必要があります。BIPMが再定義を承認する前に、TAIは光クロックによって貢献されなければなりません。秒が再定義される前に、光ファイバーなどの一貫した信号送信方法が開発されなければなりません。[ 19 ]
SI接頭辞は一般的に1秒未満の時間に使用されますが、1秒の倍数にはほとんど使用されません。代わりに、SIでは特定の非SI単位の使用が許可されています。分、時間、日、そして天文学ではユリウス年です。[ 20 ]
「...定義された暦時刻...は、 1952 年 9 月に
国際天文学連合
によって採用されました。 」
