Sekunda

Rodowód tej jednostki jest stosunkowo prosty do wydedukowania samodzielnie. Punktem wyjścia jest tu oczywiście naturalna jednostka czasu - doba, czyli czas w którym Ziemia obróci się wokół swojej osi.
Doba ma oczywiście 24 godziny, a w każdej godzinie jest 3600 sekund.

Początkowo więc sekunda była zdefiniowana jako 1/86400 doby (24 razy 3600 = 86400). Jednak okazało się, że taka jednostka nie jest zbyt precyzyjna. Powodów jest kilka – pierwszy z nich, to np. fakt, że mamy aż dwie doby – dobę słoneczną i dobę gwiazdową, a różnią się one o prawie 4 minuty. Skąd ta różnica?

- doba słoneczna odpowiada czasowi, w którym Ziemia tak okręci się wokół swojej osi, że dany punkt na jej powierzchni znajdzie się dokładnie na odcinku środek Ziemi – środek Słońca. Czyli będzie to np. czas od południa jednego dnia, do południa dnia następnego.
Problem w tym, że gdyby ów punkt określać nie według położenia Słońca, ale względem jakiejś innej gwiazdy, to doba wyszłaby nam krótsza (właśnie o te niecałe 4 minuty). Wynika to z faktu, że nawet gdyby Ziemia krążyła wokół Słońca tylko ruchem orbitalnym, czyli była odkręcona do niego zawsze tą samą stroną (podobnie jak Księżyc jest zawsze wykręcony tą samą stroną w kierunku Ziemi), to podczas ruchu orbitalnego przekręcałaby się względem odległych gwiazd. Ostatecznie, po wykonaniu pełnego obrotu wokół Słońca, dokonałby się pełny obrót Ziemi w ruchu wirowym (tym razem liczony względem dalekich gwiazd).

Dlatego można powiedzieć, że "czysty ruchu orbitalny", gdy go obserwować z zewnątrz, także może być powiązany z formą ruchu wirowego. Dzięki temu przez rok nasza Planeta wykonuje jakby dodatkowy obrót wokół swojej osi (liczony według dalekich gwiazd). Ostatecznie więc dób gwiazdowych (liczonych względem gwiazd innych niż Słońce) jest w ciągu roku o jedną więcej niż słonecznych.

Dokładniej doba gwiazdowa
Doba gwiazdowa jest to czas pomiędzy dwoma kolejnymi górowaniami punktu równonocy wiosennej (punktu Barana) czyli około 23 godzin 56 minut i 4,091 sekund.

Oczywiście ten problem wyznaczania sekundy można łatwo usunąć, precyzując o którą dobę chodzi. Dlatego też początkowo 1 sekunda była definiowana jako:

1 sekunda to 1/86 400 długości średniej doby słonecznej.

Ale pojawia się następny problem sugerowany w tej definicji przez słowo „średniej”. Bo skoro „średniej”, to możemy się domyśleć, że doba może się zmieniać – nie jest stała. I tak właśnie jest - bardzo dokładne przyrządy wykazują zmiany prędkości ruchu wirowego Ziemi. Niestety, słowo „średnia” staje się przyczyną kolejnych nieścisłości – jaka to miałaby być średnia? – z wieku, z tysiąclecia, z którego wieku czy tysiąclecia?...
Każdy z tych wyborów ma swoje zalety i wady. Dlatego dzisiaj uczeni posługują się jednostką sekundy niezależną od zjawisk astronomicznych. W układzie SI od roku 1967, jako wzorzec obowiązuje tzw. sekunda atomowa:

Sekunda, s - jednostka czasu równa 9 192 631 770 okresom przejścia pomiędzy podpoziomami f = 3 i f = 4 struktury nadsubtelnej poziomu podstawowego ²s_1/2 atomu ¹³³Cs znajdującego się na poziomie morza.

Dla niefizyka owa definicja stanowi zapewne naukowy „bełkot” i przeciętny uczeń gimnazjum tyle samo się z niej dowie, co z podobnej przetłumaczonej na język grecki czy chiński. Dlatego należy się tu kilka zdań wyjaśnienia.

Definicja atomowa sekundy - komentarz

Definicja atomowa sekundy oparta jest o zjawisku emisji światła (dokładniej promieniowania elektromagnetycznego). Światło jest rodzajem drgań pola elektromagnetycznego, a każde takie drganie trwa określoną ilość czasu. Jeśli więc weźmiemy odpowiednią ilość takich drgań to dostaniemy w rezultacie niemal dowolny odstęp czasu (byle nie krótszy niż pojedyncze drganie). Okazuje się, że światło emitowane przez pierwiastek cez jest bardzo jednorodne i stabilne, dzięki czemu dobrze nadaje się na wzorzec. Żeby zaś ta nowa definicja sekundy dobrze zgadzała się ze starą, opartą na średniej dobie słonecznej trzeba wziąć właśnie 9 192 631 770 takich drgań.

Część definicji traktująca o podpoziomach struktury nadsubtelnej precyzuje po prostu o które promieniowanie atomu cezu chodzi. Ponieważ cez może wytwarzać różne rodzaje promieniowania (czyli różne barwy światła różniącego się czasem drgań), a każdy rodzaj promieniowania odpowiada przejściom pomiędzy różnymi poziomami energetycznymi, to należy uściślić, że chodzi o ten jeden konkretny rodzaj przejścia - czyli przejście z podpoziomu energetycznego o f = 3 na poziom o f = 4.

Czy to koniec historii definicji sekundy?
- nie wiadomo, może za jakiś czas okaże się, że znajdziemy jeszcze bardziej stabilną i dokładną definicję tej jednostki, która zapewni dokładność pomiaru czasu niezbędną do funkcjonowania następnych generacji wspaniałych urządzeń. Jednak nas, zwykłych śmiertelników „nienaukowców”, nie będzie to dotyczyło, bo i tak ludzkie odczuwanie upływu czasu z rzadka dostrzega różnice mniejsze od 1 sekundy.