2番

2番
振り子で制御された時計の脱進機が毎秒刻む
一般情報
単位系	SI
単位	時間
シンボル	s

秒（記号：s ）は時間の単位で、歴史的には1日の86400分の1と定義されています。この係数は、1日をまず24時間に分割し、次に60分に分割し、最後に60秒に分割したことに由来しています（24 × 60 × 60 = 86400）。

国際単位系(SI) における現在の正式な定義はより正確です。

2番目は、セシウム133原子の非摂動基底状態超微細遷移周波数であるセシウム_周波数ΔνCsの固定数値を、単位Hzで表すと9192631770 （ s ⁻¹に等しい）と定義される。^[1]

この現在の定義は、セシウム原子時計を用いて自然の基本的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、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追加されます^{[注 1]}。

「分」はラテン語のpars minuta primaに由来し、「最初の小さな部分」、つまり時間の最初の区分、つまり60に分割することを意味し、「秒」はpars minuta secundaに由来し、「2番目の小さな部分」、さらに60に分割することである。^[3]

アナログ時計や腕時計には、秒数 (および分数) を表す 60 個の目盛りと、時間の経過を秒単位で示す「秒針」が付いていることがよくあります。デジタル時計や腕時計には、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、秒という単語と組み合わせて、秒の小区分を表すことがよくあります。ミリ秒 (1000 分の 1)、マイクロ秒 (100 万分の 1)、ナノ秒 (10 億分の 1)、および場合によってはより小さい秒単位が使われます。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 (1000 秒) などの秒の倍数を表すのにも使用できますが、このような単位は実際にはめったに使用されません。1 秒の小数分の 1 を日常的に体験できるものとしては、サイクル タイムが 1 ナノ秒の 1 ギガヘルツ マイクロプロセッサがあります。カメラのシャッター速度は、 1 ⁄ 30秒や1 ⁄ 1000秒 など、1 秒の小数で表現されることがよくあります。

天文観測に基づく暦による60進法による一日の区分は紀元前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は測定できなかったため、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年代から、原子時計は地球の自転よりも優れた計時装置となり、今日でも標準となり続けている。

機械式時計は、地球の相対的な自転位置の測定に依存しないため、固有の精度の範囲内で平均時と呼ばれる均一な時間を保ちます。つまり、時計がカウントするすべての秒、分、その他の時間の区分は、他の同一の時間の区分と同じ長さになります。しかし、見かけの時刻と呼ばれる空における太陽の相対的な位置を測定する日時計は、均一な時間を保ちません。日時計が示す時間は時期によって異なり、つまり、秒、分、その他の時間の区分は、時期によって長さが異なります。平均時と見かけの時刻で測定された 1 日の時刻は最大 15 分も異なる場合がありますが、1 日と次の日の違いはごくわずかです。15 分というのは、1 年のうちの一部の期間における累積的な差です。この効果は、主に地球の軸が太陽の周りの 軌道に対して傾斜していることによるものです。

真太陽時と平均太陽時の違いは古代から天文学者によって認識されていましたが、17 世紀半ばに正確な機械式時計が発明される前は、日時計が唯一の信頼できる時計であり、真太陽時が唯一の一般に受け入れられた標準でした。

1 秒の小数部は通常、10 進表記で表されます。たとえば、2.01 秒は 2 と 100 分の 1 秒です。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ます。たとえば、11:23:24 や 45:23 などです (後者の表記法は、時間と分を表すのに同じ表記法が使用されるため、あいまいさが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、不自然なほど大きな数値になるため、ほとんど意味がありません。メートル法の単位である秒には、 10 ⁻³⁰秒から 10 ³⁰秒 を表す10 進接頭辞があります。

秒単位の一般的な時間単位は次のとおりです。1 分は 60 秒、1 時間は 3,600 秒、1 日は 86,400 秒、1 週間は 604,800 秒、1 年 (うるう年を除く) は 31,536,000 秒、(グレゴリオ暦の) 1 世紀は平均 3,155,695,200 秒です。上記のすべてはうるう秒を除外したものです。天文学では、ユリウス暦の 1 年は正確に 31,557,600 秒です。

秒単位で起こる一般的な出来事としては、石が静止状態から 1 秒間に約 4.9 メートル落下すること、長さ約 1 メートルの振り子の揺れは 1 秒であるため、振り子時計の振り子の長さは約 1 メートルであること、人間の最速の短距離走者は 1 秒間に 10 メートル走ること、深海の波は 1 秒間に約 23 メートル進むこと、音は空気中を 1 秒間に約 343 メートル進むこと、光が月の表面から地球に到達するのにかかる時間は 384,400 キロメートルで 1.3 秒であることなどが挙げられます。

秒は、ヘルツで測定される周波数(秒の逆数または s ⁻¹ )、メートル毎秒の速度、メートル毎秒の二乗の加速度など、他の単位の一部です。放射性崩壊の尺度であるメートル法の単位であるベクレルは、秒の逆数で測定され、ジャークなどの加速度の導関数には秒のより高い累乗が含まれます。日常の多くの導関数単位は、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、および毎分の回転数で表されたターンテーブルの速度が含まれます。

さらに、他のほとんどのSI 基本単位は秒との関係で定義されます。メートルは、光速(真空中) を 299 792 458 m/s と設定して定義されます。SI 基本単位のキログラム、アンペア、ケルビン、カンデラの定義も秒に依存します。定義が秒に依存しない唯一の基本単位はモルであり、 22 の名前付き派生単位のうち、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よって時間を刻んでいます。時計は正しい時刻に「投票」し、すべての投票時計は合意に一致するように調整されます。この合意は国際原子時(TAI) と呼ばれます。TAI は原子秒を刻みます。^{[5] : 207–218}

常用時間は地球の自転と一致するように定義されています。時間管理の国際標準は協定世界時(UTC) です。この時間スケールは TAI と同じ原子秒を刻みますが、地球の自転速度の変動を修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}

秒が原子秒と正確に等しくない時間スケールはUT1であり、これは世界時の一種である。UT1は太陽に対する地球の自転によって定義され、うるう秒は含まれない。^{[5] ：68、232} UT1は常にUTCと1秒未満の差がある。

光格子時計はまだ計時標準の一部ではないが、可視光スペクトルの周波数を持つ光格子時計は存在しており、最も正確な計時装置である。 2010年代には、可視光の赤色領域にある周波数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、宇宙の推定年齢よりも長い150億年で1秒未満しか進みも遅れもしない。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2cmの高さの変化も測定できる。^[6]

これまで秒の定義は 3 つしかありませんでした。1 日の一部、推定された 1 年の一部、そしてセシウム原子時計のマイクロ波周波数としてであり、それぞれ古代の天文暦から 1 日を 60 進法で分割したものです。

古典期以前の文明では、60進法による暦の区分や弧が作られていたため、当時は1秒は1日の60進法による区分でした（古代の1秒 = ⁠ 日/60×60⁠ ）、現代の秒（＝ ⁠）のような時間を表すものではありません。 時間/60×60⁠）。^[要出典] 日時計と水時計は最も古い計時装置の一つであり、時間の単位は弧の度数で測定された。日時計で実現可能なものよりも小さい概念的な時間単位も使用されていた。

中世の自然哲学者の著作には太陰月の一部として「秒」について言及されているが、これは機械的に測定できない数学的な区分であった。^{[nb 2] [nb 3]}

14 世紀に登場した最も初期の機械式時計には、1 時間を半分、3 分の 1、4 分の 1、時には 12 に分割する表示があったが、60 分の 1 に分割することはなかった。実際、1 時間は長さが均一ではなかったため、60 分で分割されることは一般的ではなかった。16 世紀末頃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現実的ではなかった。機械式時計は平均時を刻んでいたが、日時計が表示する見かけの時間とは対照的だった。その頃までに、ヨーロッパでは 60 進法による時間の分割が定着していた。^{[注 4]}

秒を表示する最も古い時計は、16世紀後半に登場しました。機械式時計の発達により、秒を正確に測定できるようになりました。秒を刻む秒針を備えた最も古いゼンマイ駆動時計は、フレメルスドルフ・コレクションにある、1560年から1570年の間に作られた、オルフェウスを描いた署名のない時計です。 ^{[9] : 417–418  [10]} 16世紀の第3四半期に、タキ・アルディンは1/5分ごとに目盛りが付いた時計を製作しました。^[11] 1579年、ヨスト・ビュルギはヘッセン公ウィリアムのために秒を刻む時計を製作しました。^{[9] : 105} 1581年、ティコ・ブラーエは天文台の分しか表示していなかった時計を再設計し、秒も表示するようにしましたが、その秒は正確ではありませんでした。 1587年、ティコは4つの時計がプラスマイナス4秒ずれていると不満を漏らした。^{[9] : 104}

1656 年、オランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスが最初の振り子時計を発明しました。振り子の長さは 1 メートル弱で、1 秒ごとに振れ、脱進機が 1 秒ごとに時を刻みました。これは秒単位で正確に時間を計ることができる最初の時計でした。80 年後の 1730 年代には、ジョン・ハリソンの海洋クロノメーターが 100 日で 1 秒以内の精度で時間を計れるようになりました。

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、時間の基本単位として秒を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}CGSシステムを正式に提案したが、このシステムはその後70年間で徐々にMKS単位に置き換えられた。CGSシステムとMKSシステムは両方とも、時間の基本単位として同じ秒を使用していた。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、約 100 kHz の動作周波数を持つ水晶発振器時計が進歩し、1 日の動作期間にわたって10 ^{8分の 1 よりも高い精度で時間を刻めるようになりました。このような時計のコンセンサスは、地球の自転よりも正確な時間を刻めることが明らかになりました。また、}計測学者は、地球の太陽の周りの軌道 (1 年) が地球の自転よりもはるかに安定していることも知っていました。このため、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ました。

地球の運動はニューカムの太陽表（1895年）で説明されており、1750年から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公式が提示されている。^[13]この結果、1952年にIAUは当時の恒星年を単位として表される天体暦時間スケールを採用した。 ^[14]この推定された時間スケールにより、観測された天体の位置がニュートンの天体運動の力学理論と一致するようになった。^[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IAUによって時間の単位として選ばれた。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公式から計算されたものである。

1956年、秒はその時代を基準とした年として再定義された。秒は「 1900年1月0日、12時間の天体暦における熱帯年の1 / 31,556,925.9747 ^{」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、水晶式時計でさえ、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」のほうがはるかに優れています。振動 (つまり、放射) の周波数は、原子の種類とそれがどのように励起されるかによって非常に異なります。^[16] 1967 年以来、1 秒は「セシウム 133原子の基底状態の 2 つの超微細レベル間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期の持続時間」と定義されています。この 1 秒の長さは、以前に定義されたエフェメリス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、このような周波数を使用して、その周波数で 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、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年以来、セシウム133以外の原子をベースにした原子時計が開発され、精度は100倍に向上しました。そのため、秒の新しい定義が計画されています。^[17]

原子時計は現在、1秒の長さと世界の時間基準を定めている。 ^{[5] : 231–232}

2022年には、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、秒の最高の実現が達成されました。これらの時計は、磁気光学トラップでCs原子の雲をマイクロケルビン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発射されます。その後、原子はマイクロ波キャビティ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}系統的不確かさは、1 日あたり 50 ピコ秒に相当します。世界中のいくつかの時計のシステムが国際原子時に貢献しています。これらのセシウム時計は、光周波数測定の基盤にもなっています。

光時計はイオンや原子の禁制光遷移に基づいており、その周波数は10 ¹⁵  Hz、自然線幅は通常1 Hzなので、Q値は約${\displaystyle \Delta f}$10 ¹⁵、あるいはそれ以上の精度で動作する。マイクロ波時計よりも安定性が高く、不確実性が低い評価が容易になる。また、時間分解能も優れているため、時計の「刻み」が速くなる。^[18]光時計は、単一のイオン、または光格子のいずれかを使用する。10 ⁴ –10 ⁶個の原子。

リュードベリ定数に基づく定義では、値を特定の値に固定する必要があります:リュードベリ定数は、非相対論的近似 で水素原子のエネルギー レベルを表します。 ${\displaystyle R_{\infty }={\frac {m_{\text{e}}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{\text{e}}c\alpha ^{2}}{2h}}}$${\displaystyle E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}}$

リュードベリ定数を固定する唯一の現実的な方法は、水素を捕獲して冷却することです。これは、水素が非常に軽く、原子が非常に速く動くため、ドップラーシフトを引き起こすため困難です。水素を冷却するために必要な放射線は、121.5 nmの量子力学モデルも困難です。もう一つのハードルは、QED計算の不確実性、具体的には水素原子の1s-2s遷移におけるラムシフトを改善することです。[ ^19]

再定義には光時計の信頼性の向上が含まれなければならない。BIPMが再定義を承認する前に、TAIは光時計によって貢献されなければならない。秒を再定義する前に、光ファイバーなどの一貫した信号送信方法を開発する必要がある。^[19]

SI単位系接頭辞は1秒未満の時間によく使われますが、1秒の倍数に使われることは稀です。その代わりに、SI単位系では分、時間、日、そして天文学ではユリウス年といったSI以外の単位系の使用が許可されています。^[20]

• セシウム基準
• 桁数（時間）
• 秒振り子
• 時間基準

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ウィキメディア・コモンズには、Second に関連するメディアがあります。

• 国立物理学研究所: トラップイオン光周波数標準
• 高精度ストロンチウムイオン光時計、国立物理学研究所 (2005)
• カナダ国立研究評議会: 単一トラップイオンに基づく光周波数標準
• NIST: 2番目の定義。セシウム原子は0 Kで基底状態にある必要があることに注意してください。
• 2番目の公式BIPM定義
• うるう秒：その歴史と将来
• セシウム原子時計とは何ですか?
• SLAC: 時間のスケール – 1018 秒から 10−18 秒までの宇宙