AlegsaOnline.com

Sekunti: määritelmä, SI-yksikkö, atomisekunti ja mittaus

Sekunti: määritelmä ja SI-yksikkö, atomisekunti ja cesiumin värähdykset mittauksen perustana, millisekunti ja nanosekunti, historia ja käytännön esimerkit

Tekijä: Leandro Alegsa Luontipäivä: 20. lokakuuta 2021 Viimeisin päivitys: 25. elokuuta 2025

simple.wikipedia.org · Public domain

Sekunti (symboli: s) on ajan perusyksikkö. Minuutissa on 60 sekuntia, tunnissa 60 minuuttia ja vuorokaudessa 24 tuntia — käytännössä siis 1 minuutti = 60 s, 1 tunti = 3 600 s ja 1 vuorokausi = 86 400 s. Tämä jakotapa juontaa pitkälti juurensa Babylonian ja muiden antiikin kulttuurien sexagesimaaliseen (kantaluku 60) jaetun ajan laskentaan.

Määritelmä ja SI-järjestelmä

Tieteellinen määritelmä perustuu atomien vakiintuneisiin kvanttiluonteisiin ilmiöihin. Sekunti on määritelty SI-järjestelmässä siten, että se on aika, jonka cesiumatomi värähtelee täsmälleen 9 192 631 770 jakson ajan siirtyessään kahden hyperfinitilan välillä. Käytännössä määritelmässä tarkoitetaan cesium-133-isotoopin hyperfinitasojen välistä siirtymää (cesium-133 on yleisin referenssi atomikelloissa).

Historia ja miksi atomisekunti otettiin käyttöön

Ennen atomiaikaa sekunti yritettiin määrittää maan pyörimisajan perusteella (vuorokauden jakona). Kuitenkin Maan pyöriminen hidastuu ja vaihtelee pitkällä aikavälillä (esim. dinosaurusten aikaan vuorokausi oli arviolta lyhyempi). Tämän vuoksi kansainvälisesti otettiin käyttöön atomiperusteinen aikamääritelmä, koska atomien kvanttitapahtumat toistuvat riippumatta Maan liikkeistä. Tätä SI:n mukaista atomisekuntia kutsutaan usein myös yksinkertaisesti SI-sekunniksi.

Mittaus ja atomikellot

Sekuntia mitataan atomikelloilla. Yleisimpiä toteutuksia ovat cesiumin varaan rakennetut cesium-suihku- ja fountain-kellot sekä modernit optiset atomikellot (esim. optiset häkki- ja ionikellot), jotka ovat saavuttaneet ennennäkemätöntä tarkkuutta. Nykyiset parhaat optiset kellot saavuttavat paikallisesti jaosta tarkkuuden luokkaa 10⁻¹⁸ — tämä tarkoittaa virhettä hyvin pitkän ajan kuluessa vain mikro- tai pikosekuntiluokassa.

Kansainväliset aikastandardit perustuvat atomiaikaan: kansainvälinen atomiaika (TAI) lasketaan antamalla eri atomikellojen havainnoille painotettu keskiarvo. Sitä mukautetaan käytännön ajanilmaukseen, ja koordinoitu yleisaika (UTC) voi sisältää hyppytunteja eli niin sanottuja leap seconds pitääkseen yhteyden Maan pyörimiseen.

Alajaottelut ja kertaluvut

Metriset etuliitteet yhdistetään usein sanaan sekunti alajaottelujen merkitsemiseksi. Esimerkkejä:

millisekunti (ms) = 10⁻³ s
mikrosekunti (µs) = 10⁻⁶ s
nanosekunti (ns) = 10⁻⁹ s
pikosekunti (ps) = 10⁻¹² s

Vaikka SI-etuliitteitä voi periaatteessa käyttää myös sekunnin kertaluvuissa (esim. kilosekunti = 10³ s), tällaista käyttöä ei juurikaan tapaa arkipuheessa. Yleisemmin suurempia aikayksiköitä ilmaistaan perinteisillä yksiköillä kuten minuutti, tunti ja päivä, jotka kasvavat 60:n ja 24:n kerrannaisina.

Käytännön esimerkkejä ja suuruusluokka

Yksi sydämenlyönti levossa kestää tyypillisesti noin yhden sekunnin: aikuisen lepopulssi on usein 60–100 lyöntiä minuutissa, eli noin 0,6–1 sekunnin välillä per lyönti.
Silmäisku kestää tyypillisesti noin 100–400 millisekuntia.
Nykyiset tietokoneverkoissa ja viestinnässä tavanomaiset viiveet mitataan millisekunneissa tai mikrosekunneissa; prosessoreiden kellojaksot ja muistin käyttöajat usein nanosekuntien tai pikosekuntien luokkaa.

Tarkkuus, käytännön huomioita ja tulevaisuus

Atomikellojen kehittyessä aikastandardeissa siirrytään yhä tarkempiin referensseihin (optiset atomikellot). Tämä parantaa mm. GPS-satelliittien ajoitusta, tutkimuksen aikastandardeja ja teknisiä sovelluksia, joissa pienet aikavirheet voivat kertyä suuriksi. Samalla pysyy tärkeänä yhteys Maan liikkeeseen; siksi UTC:ssa voidaan silloin tällöin lisätä tai poistaa yhden sekunnin korjauksia.

Yhteenvetona: sekunti on sekä arkinen ajanmittayksikkö että tarkasti määritelty SI-yksikkö, jonka nykyinen määritelmä perustuu cesiumin atomisiirtymiin ja jonka mittaus toteutetaan atomikelloilla.

Kansainvälinen toinen

Kansainvälisessä mittayksikköjärjestelmässä sekunti määritellään tällä hetkellä 9 192 631 770 jakson kestoksi säteilyssä, joka vastaa cesium-133-atomin perustilan kahden hyperfiinitason välistä siirtymää. Tämä määritelmä viittaa cesiumatomiin, joka on levossa lämpötilassa 0 kelviniä (-273,15 celsiusastetta; -459,67 celsiusastetta) (absoluuttinen nolla). Perustila määritellään nollassa magneettikentässä. Näin määritelty sekunti vastaa efemeridisekuntia.

Sekunnin kansainvälinen standardisymboli on s (ks. ISO 31-1).

Vastaavuus muihin aikayksiköihin

1 kansainvälinen sekunti vastaa:

1/60 minuuttia (1 minuutti vastaa 60 sekuntia).
1/3,600 tuntia (1 tunti vastaa 3,600 sekuntia).
1/86,400 päivää (1 päivä kansainvälisessä mittayksikköjärjestelmässä käytettäväksi hyväksyttyjen muiden kuin SI-yksiköiden merkityksessä vastaa 86,400 sekuntia).

Tavallisessa vuodessa on 31 536 000 sekuntia, karkausvuodessa 31 622 400 sekuntia ja juliaanisessa vuodessa 31 557 600 sekuntia.

Historiallinen alkuperä

Alun perin sekunti tunnettiin nimellä "toinen minuutti", joka tarkoitti tunnin toista minuuttijakoa (eli pientä). Ensimmäinen jako tunnettiin nimellä "prime minute", ja se vastaa nykyisin tuntemaamme minuuttia. Kolmatta ja neljättä minuuttia käytettiin joskus laskutoimituksissa.

Kerroin 60 on peräisin babylonialaisilta, jotka käyttivät seksagesimaalijärjestelmää (60:n peruslukua). Babylonialaiset eivät kuitenkaan jakaneet aikayksikköjään sukupuolittuneesti (lukuun ottamatta päivää). Muinaiset egyptiläiset olivat määritelleet tunnin joko 1/12 päiväajasta tai 1/12 yöajasta, joten molemmat vaihtelivat vuodenaikojen mukaan. Kreikkalaiset tähtitieteilijät, esimerkiksi Hipparkhos ja Ptolemaios, määrittelivät tunnin 1/24:ksi keskimääräisestä aurinkopäivästä. Kun tämä keskimääräinen aurinkotunti jaettiin sukupuolittuneesti, sekunti oli 1/86,400 keskimääräisestä aurinkopäivästä.

SI-kertoimet

SI-etuliitteitä käytetään yleisesti alle sekunnin pituisista ajoista, mutta harvoin sekunnin moninkertaisista ajoista. Sen sijaan SI:ssä sallitaan tiettyjen muiden kuin SI-yksiköiden käyttö: minuutit, tunnit, päivät ja tähtitieteessä juliaaniset päivät.

SI-kertoimet sekunnille (s)
Osatekijät				Multiples
Arvo	SI-tunnus	Nimi		Arvo	SI-tunnus	Nimi	Ihmiselle luettava
10⁻¹ s	ds	desisekunti		10¹ s	das	desasekunti	10 sekuntia
10⁻² s	cs	senttisekunti		10² s	hs	hektosekunti	1 minuutti 40 sekuntia
10⁻³ s	ms	millisekunti		10³ s	ks	kilosekunti	16 minuuttia 40 sekuntia
10⁻⁶ s	µs	mikrosekunti		10⁶ s	Ms	megasekunti	11.6 päivää
10⁻⁹ s	ns	nanosekunti		10⁹ s	Gs	gigasekunti	31,7 vuotta
10⁻¹² s	ps	Pikosekunti		10¹² s	Ts	terasekunti	31,700 vuotta
10⁻¹⁵ s	fs	femtosekunnin		10¹⁵ s	Ps	petasecond	31,7 miljoonaa vuotta
10⁻¹⁸ s	kuten	attosecond		10¹⁸ s	Es	exasecond	31,7 miljardia vuotta
10⁻²¹ s	zs	zeptosecond		10²¹ s	Zs	zettasecond	31,7 biljoonaa vuotta
10⁻²⁴ s	ys	yoctosecond		10²⁴ s	Ys	yottasecond	31,7 kvadriljoonaa vuotta
10⁻²⁷ s	xs	xonosecond	10²⁷ s	Xs	xennasecond	31,7 kvintiljoonaa vuotta
10⁻³⁰ s	vs	vecosecond	10³⁰ s	Das	dakasecond	31,7 sekstimiljoonaa vuotta
10⁻³³ s	mcs	mecosecond	10³³ s	Hs	hendasecond	31,7 septimiljoonaa vuotta
10⁻³⁶ s	dcs	duecosecond	10³⁶ s	Dos	dokasecond	31,7 oktiljoonaa vuotta
10⁻³⁹ s	tcs	trecosecond	10³⁹ s	Ts	tradakasecond	31,7 miljoonaa vuotta
10⁻⁴² s	trcs	tetrecosecond	10⁴² s	Teds	tedakasecond	31,7 dekmiljoonaa vuotta
10⁻⁴⁵ s	kpl	pentecosecond	10⁴⁵ s	Pds	pedakasecond	31,7 jaecillion vuotta
10⁻⁴⁸ s	hxs	heksasekuntia	10⁴⁸ s	Eds	exdakasecond	31,7 duodecillion vuotta
10⁻⁵¹ s	hps	heptecosecond	10⁵¹ s	Zds	zedakasecond	31,7 tredecillion vuotta
10⁻⁵⁴ s	os	octecosecond	10⁵⁴ s	Yds	yodakasecond	31,7 quattuordecillion vuotta
10⁻⁵⁷ s	es	ennecosecond	10⁵⁷ s	Nds	nedakasecond	31,7 quindecillion vuotta
10⁻⁶⁰ s	on	icososecond	10⁶⁰ s	Iks	ikasecond	31.7 sexdecillion vuotta

Kreikkalaiset aikajaksot, esimerkiksi keskimääräinen synodinen kuukausi, määritettiin yleensä melko tarkasti, koska ne laskettiin satojen vuosien päässä toisistaan olevien, tarkoin valittujen pimennysten perusteella - yksittäisiä keskimääräisiä synodisia kuukausia ja vastaavia aikajaksoja ei voida mitata. Kun kehitettiin heilurikelloja, jotka pitivät keskiaikaa (toisin kuin aurinkokellojen näyttämä aika), sekunti tuli kuitenkin mitattavaksi. Lontoon kuninkaallinen seura ehdotti sekunnin heiluria pituuden yksiköksi jo vuonna 1660. Maan pinnalla metrin pituisen heilurin yhden lyönnin tai puolijakson (yksi heilahdus, ei edestakaisin) kesto on noin yksi sekunti.

Vuonna 1956 sekunti määriteltiin maapallon kiertoaikana auringon ympäri tietyllä aikakaudella, koska tuolloin oli jo tunnustettu, että maapallon kierto oman akselinsa ympäri ei ollut riittävän tasainen ajan mittapuuna. Maan liikettä kuvattiin Newcombin taulukoissa, joissa esitetään kaava Auringon liikkeelle aikakaudella 1900 vuosien 1750 ja 1892 välillä tehtyjen tähtitieteellisten havaintojen perusteella. Näin määritelty toinen on

trooppisen vuoden murto-osa 1/31,556,925.9747 vuoden 1900 tammikuun 0 12 tunnin efemeridiajalla.

Tämä määritelmä ratifioitiin yhdessätoista yleisessä paino- ja mittakonferenssissa vuonna 1960. Määritelmän mukaista trooppista vuotta ei mitattu, vaan se laskettiin kaavan perusteella, joka kuvasi trooppista vuotta, joka väheni lineaarisesti ajan myötä, mistä johtuu kummallinen viittaus tiettyyn hetkelliseen trooppiseen vuoteen. Koska tämä sekunti oli riippumaton aikamuuttuja, jota käytettiin Auringon ja Kuun ephemerideissä suurimman osan 1900-luvusta (Newcombin Auringon taulukoita käytettiin vuodesta 1900 vuoteen 1983 ja Brownin Kuun taulukoita vuodesta 1920 vuoteen 1983), sitä kutsuttiin ephemerisekunniksi.

Kun atomikelloja alettiin valmistaa, niistä tuli sekunnin määritelmän perusta, eikä niinkään maapallon kiertokulusta auringon ympäri.

Useiden vuosien työn jälkeen Louis Essen kansallisesta fyysisestä laboratoriosta (Teddington, Englanti) ja William Markowitz Yhdysvaltain merivoimien observatoriosta (USNO) määrittivät cesiumatomin hyperfiinisiirtymätaajuuden ja efemerisekunnin välisen suhteen. Käyttämällä WWV-radioaseman vastaanotettuihin signaaleihin perustuvaa yhteismittausmenetelmää he määrittivät Kuun kiertoliikkeen Maan ympäri, josta voitiin päätellä Auringon näennäinen liike atomikellon mittaamana aikana. Tämän seurauksena vuonna 1967 pidetyssä kolmannessatoista yleiskonferenssissa määriteltiin atomiajan sekunti kansainvälisessä mittayksikköjärjestelmässä (SI) seuraavasti

cesium-133-atomin perustilan kahden hyperfiinitason välistä siirtymää vastaavan säteilyn 9 192 631 770 jakson kesto.

Perustila määritellään nollamagneettikentässä. Näin määritelty sekunti vastaa efemeridisekuntia.

Jälkimmäisen määritelmää tarkennettiin myöhemmin BIPM:n vuoden 1997 kokouksessa siten, että siihen lisättiin seuraava lausuma

Tämä määritelmä viittaa cesiumatomiin, joka on levossa lämpötilassa 0 K.

Tarkistettu määritelmä näyttäisi tarkoittavan, että ihanteellinen atomikello sisältäisi yhden ainoan lepotilassa olevan cesiumatomin, joka lähettää yhtä ainoaa taajuutta. Käytännössä määritelmä tarkoittaa kuitenkin sitä, että sekunnin korkean tarkkuuden realisoinneissa olisi kompensoitava ympäristön lämpötilan (mustan kappaleen säteilyn) vaikutukset, jossa atomikellot toimivat, ja ekstrapoloitava vastaavasti sekunnin arvo edellä määritellyn mukaisesti.

Toinen roolipeleissä

Joskus roolipeleissä sekuntia käytetään viittaamaan pieneen ajanjaksoon tai yhteen taisteluvuoroon. Sitä käytetään vakioaikana, eikä se välttämättä viittaa todelliseen sekuntiin, ja se voi olla lyhyempi tai pidempi skenaariosta riippuen.

Trivia

Nykyaikaan asti asteet ja tunnit jaettiin peräkkäin 60:llä pars minuta prima, pars minuta secunda, pars minuta tertia ja niin edelleen. Tästä kehittyi nykyaikainen minuutti- ja sekuntijako, mutta pienemmissä jaoissa noudatetaan nykyään desimaalijakoa. Joissakin kielissä sanakirjat säilyttävät edelleen kolmanneksen sanan sekunnin 1/60:lle, esimerkiksi puolassa (tercja) ja arabiassa (ثالثة).

Aiheeseen liittyvät sivut

Hyppysekunti
Suuruusluokat (aika)
UTC
Kansainvälinen yksikköjärjestelmä
Hertz
Becquerel

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on symboli kakkoselle?

V: Sekunnin symboli on "s".

K: Kuinka monta sekuntia on minuutissa?

V: Minuutissa on 60 sekuntia.

K: Kuinka monta minuuttia on tunnissa?

V: Tunnissa on 60 minuuttia.

K: Kuinka monta tuntia päivässä on?

V: Vuorokaudessa on 24 tuntia.

K: Mistä tämä ajan mittaamisen perinne on peräisin?

V: Tämä perinne juontaa juurensa babylonialaisiin.

K: Miten tiedemiehet mittaavat sekunnin?

V: Tutkijat mittaavat sekunnin sillä, kuinka kauan cesiumatomin kestää värähdellä 9 192 631 770 (noin 9 miljardia) kertaa.

K: Mikä on yksi esimerkki siitä, miksi tiedemiehet käyttävät tätä ajanmittausmenetelmää muiden menetelmien sijasta?

V: Tutkijat käyttävät tätä menetelmää, koska päivän pituus muuttuu koko ajan ja atomien värähtelyt sen sijaan kestävät aina saman ajan.