Sekunde

Sekunde ⓘ
Eine pendelgesteuerte Hemmung einer Uhr, die jede Sekunde tickt
Allgemeine Informationen
Einheitensystem	SI-Basiseinheit
Einheit der	Zeit
Symbol	s

Die Sekunde (Symbol: s, auch abgekürzt: sec) ist die Basiseinheit der Zeit im Internationalen Einheitensystem (SI), die gemeinhin als 1⁄86400 eines Tages verstanden und historisch definiert wird - dieser Faktor ergibt sich aus der Unterteilung des Tages zunächst in 24 Stunden, dann in 60 Minuten und schließlich in 60 Sekunden (24 × 60 × 60 = 86400). Analoge Uhren haben oft sechzig Striche auf dem Zifferblatt, die für Sekunden (und Minuten) stehen, und einen "Sekundenzeiger", der den Ablauf der Zeit in Sekunden anzeigt. Digitale Uhren haben oft einen zweistelligen Sekundenzähler. Die Sekunde ist auch Teil mehrerer anderer Maßeinheiten wie Meter pro Sekunde für die Geschwindigkeit, Meter pro Sekunde pro Sekunde für die Beschleunigung und Zyklen pro Sekunde für die Frequenz. ⓘ

Obwohl die historische Definition der Einheit auf dieser Unterteilung des Rotationszyklus der Erde basierte, ist die formale Definition im Internationalen Einheitensystem (SI) ein viel stabilerer Zeitmesser:

Die Sekunde ist gleich der Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des ungestörten Grundzustands des ¹³³Cs-Atoms entspricht.

Da die Erdrotation schwankt und sich zudem sehr leicht verlangsamt, wird in unregelmäßigen Abständen eine Schaltsekunde zur Uhrzeit hinzugefügt, um die Uhren mit der Erdrotation synchron zu halten. ⓘ

Vielfache von Sekunden werden normalerweise in Stunden und Minuten gezählt. Bruchteile einer Sekunde werden in der Regel in Zehnteln oder Hundertsteln gezählt. In der Wissenschaft werden kleine Sekundenbruchteile in Millisekunden (Tausendstel), Mikrosekunden (Millionstel), Nanosekunden (Milliardstel) und manchmal auch in kleineren Sekundeneinheiten gezählt. Eine alltägliche Erfahrung mit kleinen Sekundenbruchteilen ist ein 1-Gigahertz-Mikroprozessor, der eine Zykluszeit von 1 Nanosekunde hat. Die Verschlusszeiten von Kameras werden häufig in Sekundenbruchteilen angegeben, z. B. 1⁄30 Sekunde oder 1⁄1000 Sekunde. ⓘ

Sexagesimale Einteilungen des Tages nach einem auf astronomischen Beobachtungen basierenden Kalender gibt es seit dem dritten Jahrtausend v. Chr., obwohl es sich dabei nicht um Sekunden handelt, wie wir sie heute kennen. Kleine Zeitabschnitte konnten damals nicht gemessen werden, so dass solche Einteilungen mathematisch abgeleitet wurden. Die ersten Zeitmesser, die Sekunden genau zählen konnten, waren Pendeluhren, die im 17. Ab den 1950er Jahren wurden Atomuhren zu besseren Zeitmessern als die Erdrotation, und sie setzen bis heute den Standard. ⓘ

Zehn Sekunden dargestellt mit einer Langzeitbelichtung einer Armbanduhr ⓘ

Die Sekunde (Einheitenzeichen: s) ist die SI-Basiseinheit der Zeit. Sie ist etwa einen Herzschlag lang (Ruhepuls eines Erwachsenen). ⓘ

Uhren und Sonnenzeit

Eine mechanische Uhr, die nicht von der Messung der relativen Rotationsposition der Erde abhängt, hält eine einheitliche Zeit, die so genannte mittlere Zeit, mit der ihr innewohnenden Genauigkeit ein. Das bedeutet, dass jede Sekunde, Minute und jeder andere Zeitabschnitt, der von der Uhr gezählt wird, die gleiche Dauer hat wie jeder andere identische Zeitabschnitt. Eine Sonnenuhr, die die relative Position der Sonne am Himmel, die sogenannte scheinbare Zeit, misst, hält jedoch keine einheitliche Zeit ein. Die von einer Sonnenuhr angezeigte Zeit variiert je nach Jahreszeit, was bedeutet, dass Sekunden, Minuten und jede andere Zeiteinheit zu verschiedenen Zeiten des Jahres eine andere Dauer haben. Die Tageszeit, die mit der mittleren Zeit und der scheinbaren Zeit gemessen wird, kann sich um bis zu 15 Minuten unterscheiden, aber ein einzelner Tag weicht nur um einen kleinen Betrag vom nächsten ab; 15 Minuten sind ein kumulativer Unterschied über einen Teil des Jahres. Dieser Effekt ist vor allem auf die Schrägstellung der Erdachse gegenüber ihrer Umlaufbahn um die Sonne zurückzuführen. ⓘ

Der Unterschied zwischen der scheinbaren Sonnenzeit und der mittleren Zeit wurde von Astronomen schon in der Antike erkannt, aber vor der Erfindung genauer mechanischer Uhren Mitte des 17. Jahrhunderts waren Sonnenuhren die einzigen zuverlässigen Zeitmesser, und die scheinbare Sonnenzeit war der einzige allgemein akzeptierte Standard. ⓘ

Ereignisse und Zeiteinheiten in Sekunden

Bruchteile einer Sekunde werden in der Regel in Dezimalschreibweise angegeben, z. B. 2,01 Sekunden oder zwei und eine hundertstel Sekunde. Vielfache von Sekunden werden in der Regel als Minuten und Sekunden oder Stunden, Minuten und Sekunden der Uhrzeit ausgedrückt, getrennt durch Doppelpunkte, z. B. 11:23:24 oder 45:23 (die letztgenannte Schreibweise kann zu Unklarheiten führen, da für Stunden und Minuten die gleiche Schreibweise verwendet wird). Es ist selten sinnvoll, längere Zeiträume wie Stunden oder Tage in Sekunden auszudrücken, da es sich dabei um unangenehm große Zahlen handelt. Für die metrische Einheit der Sekunde gibt es dezimale Vorsilben für 10-24 bis 10²⁴ Sekunden. ⓘ

Einige gebräuchliche Zeiteinheiten in Sekunden sind: eine Minute ist 60 Sekunden; eine Stunde ist 3.600 Sekunden; ein Tag ist 86.400 Sekunden; eine Woche ist 604.800 Sekunden; ein Jahr (mit Ausnahme von Schaltjahren) ist 31.536.000 Sekunden; und ein (gregorianisches) Jahrhundert hat im Durchschnitt 3.155.695.200 Sekunden; wobei alle oben genannten Angaben mögliche Schaltsekunden ausschließen. ⓘ

Einige häufige Ereignisse, die in Sekunden angegeben werden, sind: Ein Stein fällt in einer Sekunde etwa 4,9 Meter aus der Ruhelage; ein Pendel von etwa einem Meter Länge hat eine Schwingungsdauer von einer Sekunde, so dass Pendeluhren Pendel von etwa einem Meter Länge haben; die schnellsten menschlichen Sprinter laufen 10 Meter in einer Sekunde; eine Meereswelle in tiefem Wasser legt etwa 23 Meter in einer Sekunde zurück; Schall legt etwa 343 Meter in einer Sekunde in der Luft zurück; Licht braucht 1,3 Sekunden, um die Erde von der Oberfläche des Mondes aus zu erreichen, eine Entfernung von 384.400 Kilometern. ⓘ

Eine Sekunde kann hexagesimal in sechzig kleine Zeiteinheiten, die Tertien, unterteilt werden. Dies ist aber völlig ungebräuchlich. ⓘ

Andere Einheiten, die Sekunden enthalten

Eine Sekunde ist direkt Teil anderer Einheiten, wie der Frequenz in Hertz (inverse Sekunde oder Sekunde-1), der Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde und der Beschleunigung in Metern pro Sekunde zum Quadrat. Die Einheit Becquerel des metrischen Systems, ein Maß für den radioaktiven Zerfall, wird in inversen Sekunden gemessen. Obwohl viele abgeleitete Einheiten für alltägliche Dinge nicht in Sekunden, sondern in größeren Zeiteinheiten angegeben werden, sind sie letztlich in der SI-Sekunde definiert; dazu gehören die in Stunden und Minuten ausgedrückte Zeit, die Geschwindigkeit eines Autos in Kilometern pro Stunde oder Meilen pro Stunde, die Kilowattstunden des Stromverbrauchs und die Geschwindigkeit einer Drehscheibe in Umdrehungen pro Minute. ⓘ

Darüber hinaus sind die meisten anderen SI-Basiseinheiten durch ihre Beziehung zur Sekunde definiert: Das Meter wird definiert, indem die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) auf genau 299 792 458 m/s festgelegt wird; die Definitionen der metrischen Basiseinheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Candela hängen ebenfalls von der Sekunde ab. Die einzige Basiseinheit, deren Definition nicht von der Sekunde abhängt, ist das Mol, und nur zwei der 22 genannten abgeleiteten Einheiten, Radiant und Steradiant, hängen ebenfalls nicht von der Sekunde ab. ⓘ

Normen für die Zeitmessung

Eine Reihe von Atomuhren auf der ganzen Welt hält die Zeit im Konsens: Die Uhren stimmen über die korrekte Zeit ab, und alle abstimmenden Uhren werden so gesteuert, dass sie mit dem Konsens übereinstimmen, der als Internationale Atomzeit (TAI) bezeichnet wird. Die TAI "tickt" in atomaren Sekunden. ⓘ

Die bürgerliche Zeit ist so definiert, dass sie mit der Erdrotation übereinstimmt. Der internationale Standard für die Zeitmessung ist die Koordinierte Weltzeit (UTC). Diese Zeitskala "tickt" in denselben Atomsekunden wie die TAI, fügt jedoch je nach Bedarf Schaltsekunden ein oder lässt sie weg, um Schwankungen der Erdrotation zu korrigieren. ⓘ

Eine Zeitskala, bei der die Sekunden nicht genau den atomaren Sekunden entsprechen, ist UT1, eine Form der Universalzeit. UT1 wird durch die Rotation der Erde in Bezug auf die Sonne definiert und enthält keine Schaltsekunden. UT1 weicht immer um weniger als eine Sekunde von der UTC ab. ⓘ

Optische Gitteruhr

Optische Gitteruhren mit Frequenzen im Bereich des sichtbaren Lichts sind die genauesten Zeitmesser überhaupt, auch wenn sie noch in keinem Zeitnormal enthalten sind. Eine Strontium-Uhr mit einer Frequenz von 430 THz, die im roten Bereich des sichtbaren Lichts liegt, hält derzeit den Genauigkeitsrekord: Sie wird in 15 Milliarden Jahren weniger als eine Sekunde zu- oder abnehmen, was länger ist als das geschätzte Alter des Universums. Eine solche Uhr kann eine Änderung ihrer Höhe von nur 2 cm durch die Änderung ihrer Gangart aufgrund der gravitativen Zeitdilatation messen. ⓘ

Geschichte der Definition

Es gab bisher nur drei Definitionen der Sekunde: als Bruchteil des Tages, als Bruchteil eines extrapolierten Jahres und als Mikrowellenfrequenz einer Cäsium-Atomuhr, und sie haben eine sexagesimale Einteilung des Tages aus alten astronomischen Kalendern realisiert. ⓘ

Sexagesimale Einteilung der Kalenderzeit und des Tages

Die Zivilisationen in der klassischen Periode und früher schufen Unterteilungen des Kalenders sowie Bögen unter Verwendung eines sexagesimalen Zählsystems, so dass zu dieser Zeit die Sekunde eine sexagesimale Unterteilung des Tages war (antike Sekunde = Tag/60×60), nicht der Stunde wie die moderne Sekunde (= Stunde/60×60). Sonnenuhren und Wasseruhren gehörten zu den frühesten Zeitmessgeräten, und die Zeiteinheiten wurden in Bogengraden gemessen. Es wurden auch begriffliche Zeiteinheiten verwendet, die kleiner waren als die auf Sonnenuhren realisierbaren. ⓘ

In den Schriften der Naturphilosophen des Mittelalters wird die "Sekunde" als Teil eines Mondmonats erwähnt, wobei es sich um mathematische Unterteilungen handelt, die nicht mechanisch gemessen werden können. ⓘ

Bruchteil eines Sonnentages

Die ersten mechanischen Uhren, die ab dem 14. Jahrhundert aufkamen, hatten Anzeigen, die die Stunde in Hälften, Drittel, Viertel und manchmal sogar in 12 Teile teilten, aber niemals durch 60. In der Tat wurde die Stunde in der Regel nicht in 60 Minuten unterteilt, da sie nicht gleichmäßig lang war. Für die Zeitmesser war es nicht praktisch, Minuten zu berücksichtigen, bis die ersten mechanischen Uhren mit Minutenanzeige gegen Ende des 16. Mechanische Uhren zeigten die mittlere Zeit an, im Gegensatz zur scheinbaren Zeit, die von Sonnenuhren angezeigt wurde. Zu diesem Zeitpunkt war die sexagesimale Zeiteinteilung in Europa bereits fest etabliert. ⓘ

Die ersten Uhren, die Sekunden anzeigten, erschienen in der letzten Hälfte des 16. Jahrhunderts. Mit der Entwicklung mechanischer Uhren wurde die Sekunde genau messbar. Der früheste federgetriebene Zeitmesser mit einem Sekundenzeiger, der die Sekunde anzeigt, ist eine unsignierte Uhr mit der Darstellung des Orpheus in der Sammlung Fremersdorf, datiert zwischen 1560 und 1570. Im 3. Viertel des 16. Jahrhunderts baute Taqi al-Din eine Uhr mit Markierungen alle 1/5 Minuten. Im Jahr 1579 baute Jost Bürgi für Wilhelm von Hessen eine Uhr mit Sekundenanzeige. 1581 baute Tycho Brahe in seinem Observatorium Uhren um, die bisher nur Minuten anzeigten, so dass sie auch Sekunden anzeigten, obwohl diese Sekunden nicht genau waren. Im Jahr 1587 beschwerte sich Tycho, dass seine vier Uhren um plus oder minus vier Sekunden voneinander abwichen. ⓘ

Im Jahr 1656 erfand der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens die erste Pendeluhr. Sie hatte ein knapp einen Meter langes Pendel, das eine Schwingung von einer Sekunde hatte, und eine Hemmung, die jede Sekunde tickte. Es war die erste Uhr, die die Zeit in Sekunden genau anzeigen konnte. In den 1730er Jahren, also 80 Jahre später, konnten die Seechronometer von John Harrison die Zeit bis auf eine Sekunde in 100 Tagen genau anzeigen. ⓘ

1832 schlug Gauß in seinem Millimeter-Milligramm-Sekunden-System vor, die Sekunde als Basiseinheit der Zeit zu verwenden. Die British Association for the Advancement of Science (BAAS) erklärte 1862, dass "alle Wissenschaftler sich einig sind, die Sekunde der mittleren Sonnenzeit als Zeiteinheit zu verwenden". Die BAAS schlug 1874 offiziell das CGS-System vor, das jedoch in den folgenden 70 Jahren schrittweise durch die MKS-Einheiten ersetzt wurde. Sowohl das CGS- als auch das MKS-System verwendeten dieselbe Sekunde als Basiseinheit der Zeit. Das MKS-System wurde in den 1940er Jahren international übernommen und definiert die Sekunde als 1⁄86,400 eines mittleren Sonnentages. ⓘ

Bruchteil eines Ephemeridenjahres

Irgendwann in den späten 1940er Jahren gelang es Quarzkristall-Oszillatoruhren mit einer Betriebsfrequenz von ~100 kHz, die Zeit mit einer Genauigkeit von mehr als 1:10⁸ über eine Betriebsdauer von einem Tag einzuhalten. Es wurde deutlich, dass ein Konsens solcher Uhren die Zeit besser hält als die Erdrotation. Metrologen wussten auch, dass die Erdumlaufbahn um die Sonne (ein Jahr) viel stabiler ist als die Erdrotation. Dies führte bereits 1950 zu Vorschlägen, die Sekunde als Bruchteil eines Jahres zu definieren. ⓘ

Die Bewegung der Erde wurde in Newcomb's Tables of the Sun (1895) beschrieben, das eine Formel zur Schätzung der Bewegung der Sonne relativ zur Epoche 1900 auf der Grundlage astronomischer Beobachtungen zwischen 1750 und 1892 enthielt. Dies führte dazu, dass die IAU 1952 eine Ephemeridenzeitskala in Einheiten des siderischen Jahres für diese Epoche annahm. Diese extrapolierte Zeitskala bringt die beobachteten Positionen der Himmelskörper in Einklang mit den dynamischen Newtonschen Theorien ihrer Bewegung. 1955 wurde das tropische Jahr, das als grundlegender angesehen wird als das siderische Jahr, von der IAU als Zeiteinheit gewählt. Das tropische Jahr wurde in dieser Definition nicht gemessen, sondern anhand einer Formel berechnet, die ein mittleres tropisches Jahr beschreibt, das mit der Zeit linear abnimmt. ⓘ

Im Jahr 1956 wurde die Sekunde im Sinne eines Jahres relativ zu dieser Epoche neu definiert. Die Sekunde wurde somit definiert als "der Bruchteil 1⁄31.556.925,9747 des tropischen Jahres für 1900 Januar 0 bei 12 Stunden Ephemeridenzeit". Diese Definition wurde 1960 in das Internationale Einheitensystem übernommen. ⓘ

"Atomare" Sekunde

Selbst die besten mechanischen, elektromotorischen und auf Quarzkristallen basierenden Uhren weisen aufgrund der Umweltbedingungen Abweichungen auf; viel besser für die Zeitmessung ist die natürliche und exakte "Schwingung" in einem angeregten Atom. Die Frequenz der Schwingung (d. h. der Strahlung) ist sehr spezifisch und hängt von der Art des Atoms und der Art seiner Anregung ab. Seit 1967 ist die Sekunde definiert als genau "die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht" (bei einer Temperatur von 0 K und auf Meereshöhe). Diese Länge einer Sekunde wurde so gewählt, dass sie genau der Länge der zuvor definierten Ephemeridensekunde entspricht. Atomuhren verwenden eine solche Frequenz, um Sekunden zu messen, indem sie die Zyklen pro Sekunde bei dieser Frequenz zählen. Diese Art von Strahlung ist eines der stabilsten und am besten reproduzierbaren Phänomene der Natur. Die derzeitige Generation von Atomuhren hat eine Genauigkeit von einer Sekunde in einigen hundert Millionen Jahren. Seit 1967 wurden Atomuhren entwickelt, die auf anderen Atomen als Cäsium-133 basieren und eine um den Faktor 100 höhere Genauigkeit aufweisen. Daher ist eine neue Definition der Sekunde geplant. ⓘ

Atomuhren bestimmen nun die Länge einer Sekunde und den Zeitstandard für die Welt. ⓘ

Tabelle

Entwicklung der Sekunde ⓘ
Beschlüsse des CIPM	Entschließung der CGPM	Informationen
Gemäß den Beschlüssen der 8. Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union (Rom, 1952) ist die Sekunde der Ephemeridenzeit (ET) der Bruchteil ${\frac {12960276813}{408986496}}\times 10^{-9}$ des tropischen Jahres für 1900 Januar 0 um 12 Uhr ET.	Die Sekunde ist der Bruchteil ${\frac {1}{31556925.9747}}$ des tropischen Jahres für 1900 Januar 0 zu 12 Stunden Ephemeridenzeit.	1956 CIPM 11. CGPM 1960 Entschließung 9
Der zu verwendende Standard ist der Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus F=4, M=0 und F=3, M=0 des Grundzustands $^{2}S_{1/2}$ des Cäsium-133-Atoms, der durch äußere Felder nicht gestört wird, und dass die Frequenz dieses Übergangs den Wert 9192631770 Hertz erhält.	Das zweite ist die Dauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht	13. CGPM Entschließung 1 CIPM 1964
Diese Definition setzt voraus, dass sich das Cäsiumatom in Ruhe befindet und nicht gestört wird. Folglich müssen die Messungen in der Praxis um die Geschwindigkeit der Atome in Bezug auf den Uhr-Bezugsrahmen, um magnetische und elektrische Felder einschließlich der umgebenden Schwarzkörperstrahlung, um Spin-Austausch-Effekte und um andere mögliche Störungen korrigiert werden.	Auf seiner Sitzung im Jahr 1997 bestätigte das CIPM dies: Diese Definition bezieht sich auf ein ruhendes Cäsiumatom bei einer Temperatur von 0 K. Mit dieser Anmerkung sollte klargestellt werden, dass die Definition der SI-Sekunde auf einem Cs-Atom basiert, das nicht durch Schwarzkörperstrahlung gestört wird, d. h. in einer Umgebung, deren Temperatur 0 K beträgt, und dass die Frequenzen der Primärfrequenznormale daher um die durch die Umgebungsstrahlung verursachte Verschiebung korrigiert werden sollten, wie auf der Sitzung des CCTF im Jahr 1999 festgestellt wurde.	Fußnote hinzugefügt auf der 14. Sitzung des Beratenden Ausschusses für Zeit und Frequenz im Jahr 1999 die Fußnote wurde auf der 86. (1997) Sitzung des CIPM hinzugefügt GCPM 1998 7. Ausgabe SI-Broschüre
Die Definition einer Einheit bezieht sich auf eine idealisierte Situation, die in der praktischen Umsetzung nur mit einer gewissen Unsicherheit erreicht werden kann. In diesem Sinne ist die Definition der Sekunde so zu verstehen, dass sie sich auf Atome bezieht, die frei von jeglicher Störung, in Ruhe und in Abwesenheit von elektrischen und magnetischen Feldern sind. Eine künftige Neudefinition der Sekunde wird dann gerechtfertigt sein, wenn diese idealisierten Bedingungen viel leichter erreicht werden können als mit der derzeitigen Definition. Die Definition der Sekunde ist wie die Definition der Einheit der Eigenzeit zu verstehen: Sie gilt in einem kleinen räumlichen Bereich, der die Bewegung des Cäsiumatoms teilt, das zur Umsetzung der Definition verwendet wird. In einem Labor, das klein genug ist, um die Auswirkungen der Ungleichförmigkeit des Gravitationsfeldes im Vergleich zu den Unsicherheiten bei der Realisierung der Sekunde zu vernachlässigen, erhält man die richtige Sekunde nach Anwendung der speziellen relativistischen Korrektur für die Geschwindigkeit des Atoms im Labor. Es ist falsch, das lokale Gravitationsfeld zu berücksichtigen.	Die Sekunde, Symbol s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie wird definiert, indem man den festen numerischen Wert der Cäsiumfrequenz nimmt, $\Delta v_{Cs}$der ungestörten Grundzustands-Hyperfeinstrukturfrequenz des Cäsium-133-Atoms, zu 9 192 631 770, ausgedrückt in der Einheit Hz, was gleich ist mit $s^{-1}$. Der Verweis auf ein ungestörtes Atom soll verdeutlichen, dass die Definition der SI-Sekunde von einem isolierten Cäsiumatom ausgeht, das von keinem äußeren Feld, wie z. B. der umgebenden Schwarzkörperstrahlung, gestört wird. Die so definierte Sekunde ist die Einheit der Eigenzeit im Sinne der allgemeinen Relativitätstheorie. Um eine koordinierte Zeitskala bereitstellen zu können, werden die Signale verschiedener primärer Uhren an unterschiedlichen Orten kombiniert, die um relativistische Cäsium-Frequenzverschiebungen korrigiert werden müssen (siehe Abschnitt 2.3.6). Das CIPM hat verschiedene sekundäre Darstellungen der Sekunde angenommen, die auf einer ausgewählten Anzahl von Spektrallinien von Atomen, Ionen oder Molekülen basieren. Die ungestörten Frequenzen dieser Linien können mit einer relativen Unsicherheit bestimmt werden, die nicht geringer ist als die der auf der 133Cs-Hyperfeinübergangsfrequenz basierenden Darstellung der Sekunde, wobei einige mit höherer Stabilität reproduziert werden können.	Aktuelle Definition, die 2018 beschlossen wurde, nachdem die 26. GCPM die Neudefinition am 20. Mai 2019 genehmigt hat. SI-Broschüre 9

Zukünftige Neudefinition

Im Jahr 2022 wird die beste Realisierung der Sekunde mit Cäsium-Primärnormaluhren wie IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU-CsFO2 oder SYRTE-FO2 erfolgen. Diese Uhren funktionieren, indem eine Wolke von Cs-Atomen in einer magneto-optischen Falle per Laser auf ein Mikrokelvin abgekühlt wird. Diese kalten Atome werden dann mit Laserlicht vertikal abgeschossen. Die Atome werden dann in einem Mikrowellenresonator nach Ramsey angeregt. Der Anteil der angeregten Atome wird dann mit Laserstrahlen nachgewiesen. Diese Uhren haben eine systematische Unsicherheit von 5×10-16, was 50 Pikosekunden pro Tag entspricht. Ein System aus mehreren Quellen weltweit trägt zur Internationalen Atomzeit bei. Diese Cäsiumuhren sind auch die Grundlage für optische Frequenzmessungen. ⓘ

Der Vorteil der optischen Uhren erklärt sich aus der Aussage, dass die Instabilität $\sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}$ wobei f die Frequenz ist, $\sigma$ für die Instabilität und S/N für das Signal-Rausch-Verhältnis steht. Daraus ergibt sich die Gleichung $\sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}$. ⓘ

Optische Uhren beruhen auf verbotenen optischen Übergängen in Ionen oder Atomen. Sie haben Frequenzen um 10¹⁵ Hz, mit einer natürlichen Linienbreite $\Delta f$ von typischerweise 1 Hz, so dass der Q-Faktor etwa 10¹⁵ oder sogar noch höher ist. Sie haben eine bessere Stabilität als Mikrowellenuhren, was bedeutet, dass sie die Bewertung geringerer Unsicherheiten erleichtern können. Außerdem haben sie eine bessere Zeitauflösung, was bedeutet, dass die Uhr schneller "tickt". Optische Uhren verwenden entweder ein einzelnes Ion oder ein optisches Gitter mit 10⁴-10⁶ Atomen. ⓘ

Rydberg-Konstante

Eine Definition auf der Grundlage der Rydberg-Konstante würde bedeuten, dass der Wert auf einen bestimmten Wert festgelegt wird: $R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}$. Die Rydberg-Konstante beschreibt die Energieniveaus in einem Wasserstoffatom mit der nichtrelativistischen Näherung $E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}$. ⓘ

Die einzige Möglichkeit, die Rydberg-Konstante festzulegen, besteht darin, Wasserstoff einzufangen und abzukühlen. Leider ist dies schwierig, da Wasserstoff sehr leicht ist und die Atome sich sehr schnell bewegen, was zu Doppler-Verschiebungen führt. Die zur Kühlung des Wasserstoffs erforderliche Strahlung - 121,5 nm - ist ebenfalls schwierig. Eine weitere Hürde ist die Verbesserung der Unsicherheit bei QED-Berechnungen. ⓘ

Anforderungen

Eine Neudefinition muss eine verbesserte Zuverlässigkeit der optischen Uhren beinhalten. Die optischen Uhren müssen zur TAI beitragen, bevor das BIPM eine Neudefinition beschließt. Vor der Neudefinition der Sekunde muss eine einheitliche Methode zur Übertragung von Signalen entwickelt werden, z. B. Glasfaseroptik. ⓘ

SI-Multiplikatoren

SI-Präfixe werden üblicherweise für Zeiten verwendet, die kürzer als eine Sekunde sind, aber selten für Vielfache einer Sekunde. Stattdessen sind bestimmte Nicht-SI-Einheiten zur Verwendung im SI zugelassen: Minuten, Stunden, Tage und in der Astronomie Julianische Jahre. ⓘ

SI-Vielfache für Sekunde (s)

Submultiplikatoren				Vielfache ⓘ
Wert	SI-Symbol	Bezeichnung		Wert	SI-Symbol	Bezeichnung	Äquivalent zu
10-1 s	ds	Dezisekunde		101 s	das	decasecond	10 Sekunden
10-2 s	cs	Hundertstelsekunde		102 s	hs	Hektosekunde	1 Minute 40 Sekunden
10-3 s	ms	Millisekunde		103 s	ks	Kilosekunde	16 Minuten 40 Sekunden
10-6 s	µs	Mikrosekunde		106 s	Ms	Megasekunde	11,6 Tage
10-9 s	ns	Nanosekunde		109 s	Gs	Gigasekunde	31,7 Jahre
10-12 s	ps	Pikosekunde		1012 s	Ts	Terasekunde	31.700 Jahre
10-15 s	fs	Femtosekunde		1015 s	Ps	Petasekunde	31,7 Millionen Jahre
10-18 s	als	Attosekunde		1018 s	Es	Exasekunde	31,7 Milliarden Jahre
10-21 s	zs	Zeptosekunde		1021 s	Zs	Zettasekunde	31,7 Billionen Jahre
10-24 s	ys	yoctosecond		1024 s	Ys	yottosekunde	31,7 Billiarden Jahre

Definition

Zukünftige Entwicklungen

Die Präzision, mit der die Sekunde realisiert werden kann (Stand 2018: ca. 10⁻¹⁶), begrenzt die erreichbare Genauigkeit von Zeitmessungen in der Einheit „Sekunde“. Mittlerweile sind Uhren entwickelt worden, die nicht auf Caesium-Atomen basieren und um bis zu zwei Größenordnungen präziser sind. Mit solchen Uhren als primärer Referenz ließen sich noch genauere Zeitmessungen erreichen. Voraussetzung dafür wäre eine Umdefinition der Maßeinheit. Dies könnte 2030 geschehen. ⓘ

Mit der Sekunde zusammenhängende Einheiten

Die Einheit Sekunde ist mit verschiedenen Vorsätzen für Maßeinheiten (SI-Präfixe) in Verwendung, beispielsweise:

Präfix-Schreibweise	Bezeichnung	Dezimal ⓘ
1 fs	Femtosekunde	0,000 000 000 000 001 s
1 ps	Pikosekunde	0,000 000 000 001 s
1 ns	Nanosekunde	0,000 000 001 s
1 µs	Mikrosekunde	0,000 001 s
1 ms	Millisekunde	0,001 s

Als größere Zeiteinheiten sind Minute, Stunde und Tag üblich und in der Europäischen Union und der Schweiz gesetzliche Maßeinheiten. Vergrößernde SI-Vorsätze wie „Megasekunde“ (= 1 000 000 s = 11 Tage 13 h 46 min 40 s) sind zwar zulässig, aber sehr unüblich. ⓘ

Von der Sekunde abgeleitet sind die Einheiten „Hertz“ (1 Hz = 1 s⁻¹) für periodische Ereignisse und „Becquerel“ (1 Bq = 1 s⁻¹) für (Radio-)Aktivität. ⓘ