他の量と同様に、2 番目の量も、次の点についての合意に基づいた相対的な概念にすぎません。
1875年、当時の主要17カ国のうち、オーストリア＝ハンガリー帝国、ロシア帝国、オスマン帝国、フランス、ドイツ、米国、ブラジルを含む国々は、メートル法条約に調印しました。これは、さまざまな国の測定基準の統一を保証する国際条約です。統一された原則を策定し、参照測定を実施するために、州は国際度量衡局を作成しました。
第27回度量衡会議にてさまざまな国の代表者は、秒の現代的な定義が測定の必要な精度を満たさなくなり、改訂が必要であることに同意しました。ロードマップでは、4 年後の次の会議で、各国はより正確な新しい参照システムを選択し、2 回目の参照システムの文言を変更する必要があると規定されています。
秒の最初の測定
何世紀にもわたって、人々は時間を測定してきました地球の回転。古代エジプト人からギリシャの天文学者やバビロニア人に至るまで、人類は測定の精度を徐々に変化させました。これには新しい時間単位が必要であり、技術の発展、それらの統一と同期が必要でした。
に登場した最初の機械式時計14世紀、数分もありませんでした。文字盤は、2 分の 1、3 分の 1、4 分の 1、時には 12 分の 1 に分割されていましたが、60 分の 1 に分割されることはありませんでした。分を表示する最初の機械式時計は、16 世紀末頃に登場しました。同時に、見かけの時間を示す日時計とは異なり、機械式時計は平均時間に切り替わりました。
実は、地球の公転運動は、太陽の影響で一日の長さが不均一になります。見かけの太陽時は、私たちの星が天頂にある 2 つの時刻の間の時間を一日の定義として使用します。この場合、小数部分 (時間と分) は太陽の動きに基づいて決定されます。
実際に測ってみると、代替システム、たとえば、機械式時計の振り子の動きの数では、そのような日数が異なることがわかります。 1 日の長さは 1 年を通して変化し、累積的な影響により、平均から最大 16 分の季節偏差が生じます。
秒を表示する最初の時計が登場したのは、16世紀後半。知られている限り最古の秒針付き春時計: 1560 ～ 1570 年頃のもの。同時に、最初の類似物はすべて精度が不十分でした。
1656年、オランダの科学者クリスティアン・ホイヘンスは、最初の振り子時計を発明した。振り子は長さ 1 メートル弱で、1 秒間振れ、毎秒時を刻むトリガー機構が付いていました。これは時間を正確に秒単位で表示することができた最初の時計であると考えられています。
ヘンラインの懐中時計、16世紀初頭。画像: ドイツ国立博物館
わずか1日から地球の軌道自転と原子測定まで
19世紀の終わりまでに、秒を測定する精度1889 年の度量衡総会で修正された ISS の国際的なメートル法システムの基礎を形成するほどの高さに達しました。メートルは長さの基本単位、キログラムは重量、秒は時間として承認されました。後者は、平均太陽日の 1/86400 として定義されました。
地球が太陽の周りを公転して以来惑星が自転するよりも安定しているため、この定義は後に変更され、1 年の分数 (1 ⁄ 31,556,925.9747) で表現されました。同時に、不確実性をさらに減らすために、1900 年の惑星や恒星の軌道の位置に基づいて計算された天体暦時間スケールが使用されました。
1967年、数十年にわたる調査の後、科学者たちは地球の自転法を放棄し、時間を再定義し、代わりに原子内の粒子の動きを測定しました。特に、現在の定義では、セシウム 133 の固有振動数共鳴を使用して計算しています。その瞬間から、秒はセシウム原子の振動周波数の固定数値によって決定されます。
原子時はどのように機能しますか?
初期の原子時間スケールは次のもので構成されていました。原子時計のみを使用して周波数が校正されたクォーツ時計。これらは、2 つの可能なエネルギー状態のいずれかになる原子系に基づいています。
1 つの状態にある原子のグループは、マイクロ波放射。放射線の周波数が適切であれば、多くの原子が異なるエネルギー状態に移動します。周波数が原子の固有振動周波数に近づくほど、より多くの原子が状態を切り替えます。
これにより、非常に正確な周波数チューニングが可能になります。マイクロ波放射。マイクロ波放射が既知の周波数に調整されると、経過時間を測定するタイミング発生器として使用できます。
国際原子時は世界中の 80 以上の国立研究所にある 450 以上の原子時計の時間加重平均。このアプローチにより、重力時間の膨張に伴う歪みを回避できます。
異なる機関の時間は定期的に比較されます衛星通信と GPS を使用して相互に通信します。 Bureau International des Poids et Mesures (BIPM、フランス) は、これらの測定値を組み合わせて、最も安定した可能な時間スケールを形成する遡及加重平均を計算します。
世界初の原子時計。画像: 国立物理学研究所、パブリック ドメイン、ウィキメディア コモンズ経由
彼らは何を変えたいのですか？
テクノロジーのさらなる発展により、さらに多くのことが可能になります測定精度をさらに向上させます。たとえば、古典的なセシウム時計の代替として、物理学者は光時計の使用を提案しています。これらの時計は、ストロンチウムやイッテルビウムなどの要素のより高い周波数の「刻み」を使用して、時間をさらに小さなチャンクに分解できるようにします。
これまでの難しさは、公式の時間は、時計だけでは生成できません。計測学者は、世界中の何百時間もの測定値を平均化する必要があります。セシウム時計の場合、マイクロ波信号を使用して時間を送信できますが、そのような放射は周波数が低すぎて、光時計の刻みを送信できません。
逆に、空気を介して信号を送信すると、空気中の分子は光を吸収しやすく、信号強度が大幅に低下するため、光の波長はマイクロ波を送信するほど単純ではありません。さらに、乱流によりレーザー ビームがターゲットから遠ざかる可能性があります。
しかし、この方向への変化は、進歩、たとえば、中国の科学者は最近、117 kmの距離での光時計の同期に関する研究の結果を発表しました。これは、これまでの記録の 7 倍です。この方向へのさらなる開発は、秒を決定する精度を100倍以上向上させるのに役立ちます。
度量衡会議の決定による参加者には、時間の測定と同期のための代替方法の開発を継続することが奨励されます。これらに基づいて、2026年の次回会合までに新たな基準と移行期間の提案が策定される予定だ。
イッテルビウム光原子時計。画像: NIST
うるう秒
これがまだ新しい標準の問題である場合不確実性がほとんどない場合、暫定基準に影響を与える別の変更が最終的に受け入れられます。すでに 2035 年には、世界はうるう秒を廃止する必要があります。
ポイントは精密測定への移行期にある原子時計に基づいて時間を計算すると、科学者らは、平均 1 日が 86,400 標準秒に等しくないことを発見しました。違いはわずか数ミリ秒ですが、時間の経過とともに蓄積されます。
解決策はうるう秒でした。1 秒の修正は 12 月下旬または 6 月に臨時ベースで適用されました。この変更は、当社が使用する協定世界時 (UTC) の計時システムが原子時と 0.9 秒以上異なることがないようにするために計画されました。
このような変更は 1 回限りであるため、「うるう」秒の性質により、ソフトウェア、エネルギー、衛星システムに大きな困難が生じました。まず、次のうるう秒がいつ必要になるかを正確に予測するのは難しいため、プログラム開発者は整然とした定期的な挿入に備えることができません。したがって、さまざまなネットワークが、うるう秒を含めるために一貫性のない独自の方法を開発しました。
さらに、現代のグローバルコンピューティングシステムはより緊密に相互接続されるようになり、場合によっては数十億分の１秒という超正確なタイミングに依存するようになりました。 1 秒追加すると、通信ネットワーク、送電、金融取引、その他の重要なビジネスを担当するシステムが失敗したり、同期に失敗したりするリスクが高まります。
この問題を回避するために、科学者たちは次のことを採用しました。これらの挿入物を2035年から段階的に廃止する決定。 1972 年以来、過去 50 年間にわたって、UTC と国際原子時の差はわずか 37 秒で、すぐに 10 秒が追加され、その後にさらに 27 秒が挿入されます。科学者らは、2035年までに蓄積される差異を修正し、少なくとも今後100年間は変更しないことを提案している。
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