Sekunda - najważniejsza jednostka czasu

Metronom służy do wyznaczania wielokrotnych równych odstępów czasu.

Jednostką czasu w układzie SI jest sekunda [t] = s.

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 Ziemia krąży wokół Słońca, a ruch po orbicie jest (gdy go obserwować z zewnątrz) także powiązany z pewną formą ruchu wirowego. Dzięki niemu przez rok nasza Planeta wykonuje jakby dodatkowy obrót wokół swojej osi. Ostatecznie więc dób gwiazdowych (liczonych względem gwiazd innych niż Słońce) jest w ciągu roku o jedną mniej niż słonecznych.

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

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.