Deuxième

Une horloge mécanique, qui ne dépend pas de la mesure de la position de rotation relative de la Terre, maintient un temps uniforme appelé temps moyen , quelle que soit la précision qui lui est intrinsèque. Cela signifie que chaque seconde, minute et chaque autre division de temps comptée par l'horloge aura la même durée que toute autre division de temps identique. Mais un cadran solaire qui mesure la position relative du soleil dans le ciel appelée temps apparent , ne garde pas l'heure uniforme. L'heure gardée par un cadran solaire varie selon la période de l'année, ce qui signifie que les secondes, les minutes et toutes les autres divisions de temps ont une durée différente à différentes périodes de l'année. L'heure de la journée mesurée avec le temps moyen par rapport au temps apparent peut différer de près de 15 minutes, mais un seul jour ne différera du suivant que d'une petite quantité; 15 minutes, c'est une différence cumulative sur une partie de l'année. L'effet est principalement dû à l'obliquité de l'axe de la Terre par rapport à son orbite autour du soleil.

La différence entre le temps solaire apparent et le temps moyen a été reconnue par les astronomes depuis l'Antiquité, mais avant l'invention d'horloges mécaniques précises au milieu du 17e siècle, les cadrans solaires étaient les seules montres fiables, et le temps solaire apparent était la seule norme généralement acceptée.

Les fractions de seconde sont généralement indiquées en notation décimale, par exemple 2,01 secondes ou deux centièmes secondes. Les multiples de secondes sont généralement exprimés en minutes et secondes, ou en heures, minutes et secondes de l'horloge, séparés par des deux points, tels que 11:23:24 ou 45:23 (cette dernière notation peut donner lieu à une ambiguïté, car la même la notation est utilisée pour désigner les heures et les minutes). Il est rarement judicieux d'exprimer des périodes plus longues comme des heures ou des jours en secondes, car ce sont des nombres étrangement grands. Pour l'unité métrique de seconde, il existe des préfixes décimaux représentant 10 ^-24 à 10 ²⁴ secondes.

Certaines unités de temps courantes en secondes sont: une minute équivaut à 60 secondes; une heure équivaut à 3 600 secondes; un jour est de 86 400 secondes; une semaine est de 604 800 secondes; une année (autre que les années bissextiles ) est de 31 536 000 secondes; et un siècle ( grégorien ) fait en moyenne 3 155 695 200 secondes; avec tout ce qui précède à l'exclusion des éventuelles secondes intercalaires .

Certains événements courants en quelques secondes sont: une pierre tombe à environ 4,9 mètres du repos en une seconde; un pendule d'une longueur d'environ un mètre a une oscillation d'une seconde, de sorte que les horloges à pendule ont des pendules d'environ un mètre de long; les sprinteurs humains les plus rapides courent 10 mètres en une seconde; une vague océanique en eau profonde parcourt environ 23 mètres en une seconde; le son parcourt environ 343 mètres en une seconde dans l'air; la lumière prend 1,3 seconde pour atteindre la Terre depuis la surface de la Lune, à une distance de 384 400 kilomètres.

Une seconde fait partie d'autres unités, telles que la fréquence mesurée en hertz (secondes inverses ou seconde ^-1 ), la vitesse (mètres par seconde) et l'accélération (mètres par seconde au carré). L'unité de système métrique becquerel, une mesure de la désintégration radioactive, est mesurée en secondes inverses. Le compteur est défini en termes de vitesse de la lumière et de la seconde; les définitions des unités de base métriques kilogramme, ampère, kelvin et candela dépendent également de la seconde. La seule unité de base dont la définition ne dépend pas de la seconde est la taupe. Sur les 22 unités dérivées nommées du SI, seules deux (radian et stéradian) ne dépendent pas de la seconde. De nombreuses unités dérivées pour les choses quotidiennes sont rapportées en termes d'unités de temps plus grandes, et non de secondes, telles que l'heure d'horloge en heures et minutes, la vitesse d'une voiture en kilomètres par heure ou en miles par heure, en kilowattheures d'utilisation d'électricité et en vitesse de un plateau tournant en rotations par minute.

Un ensemble d'horloges atomiques à travers le monde garde l'heure par consensus: les horloges «votent» à l'heure correcte, et toutes les horloges de vote sont dirigées pour s'accorder avec le consensus, qui est appelé International Atomic Time (TAI). TAI "ticks" les secondes atomiques. ^[3]

Le temps civil est défini pour s'accorder avec la rotation de la Terre. La norme internationale pour le chronométrage est le temps universel coordonné (UTC). Cette échelle de temps «coche» les mêmes secondes atomiques que TAI, mais insère ou omet des secondes intercalaires si nécessaire pour corriger les variations de la vitesse de rotation de la Terre. ^[4]

Une échelle de temps dans laquelle les secondes ne sont pas exactement égales aux secondes atomiques est UT1, une forme de temps universel . UT1 est défini par la rotation de la Terre par rapport au soleil et ne contient aucune seconde intercalaire. ^[5] UT1 diffère toujours de UTC de moins d'une seconde.

Bien qu'elles ne fassent encore partie d'aucune norme de chronométrage, les horloges à réseau optique avec des fréquences dans le spectre de la lumière visible existent maintenant et sont les chronométreurs les plus précis de tous. Une horloge au strontium de fréquence 430  THz , dans la gamme rouge de la lumière visible, détient désormais le record de précision: elle gagnera ou perdra moins d'une seconde en 15 milliards d'années, ce qui est plus long que l'âge estimé de l'univers. Une telle horloge peut mesurer un changement de son élévation aussi peu que 2 cm par le changement de sa vitesse dû à la dilatation du temps gravitationnel . ^[6]

Il n'y a jamais eu que trois définitions de la seconde: comme une fraction de la journée, comme une fraction d'une année extrapolée et comme la fréquence micro-onde d'une horloge atomique au césium , et ils ont réalisé une division sexagésimale de la journée à partir de l'ancienne astronomie. calendriers.

Divisions sexagésimales de l'heure et du jour du calendrier

Les civilisations de la période classique et des divisions antérieures ont créé des divisions du calendrier ainsi que des arcs utilisant un système de comptage sexagésimal, donc à cette époque, la seconde était une subdivision sexagésimale du jour (ancienne seconde  = journée/60 × 60), pas de l'heure comme la seconde moderne (= heure/60 × 60). Les cadrans solaires et les horloges à eau étaient parmi les premiers dispositifs de chronométrage, et les unités de temps étaient mesurées en degrés d'arc. Des unités conceptuelles de temps plus petites que celles réalisables sur les cadrans solaires ont également été utilisées.

Il y a des références à la «seconde» dans le cadre d'un mois lunaire dans les écrits des philosophes naturels du Moyen Âge, qui étaient des subdivisions mathématiques qui ne pouvaient pas être mesurées mécaniquement. ^{[nb 2] [nb 3]}

Fraction de jour solaire

Les premières horloges mécaniques qui sont apparues à partir du 14ème siècle avaient des affichages qui divisaient l'heure en moitiés, tiers, quarts et parfois même 12 parties, mais jamais par 60. En fait, l'heure n'était pas généralement divisée en 60 minutes car ce n'était pas uniforme dans la durée. Il n'était pas pratique pour les chronométreurs de considérer les minutes jusqu'à ce que les premières horloges mécaniques affichant les minutes apparaissent vers la fin du XVIe siècle. Les horloges mécaniques conservaient l' heure moyenne , par opposition à l' heure apparente affichée par les cadrans solaires . À cette époque, les divisions sexagésimales du temps étaient bien établies en Europe. ^{[nb 4]}

Les premières horloges à afficher les secondes sont apparues au cours de la dernière moitié du XVIe siècle. Le second est devenu précisément mesurable avec le développement des horloges mécaniques. Le premier garde-temps à ressort avec une trotteuse qui marquait les secondes est une horloge non signée représentant Orphée de la collection Fremersdorf, datée entre 1560 et 1570. ^{[9] : 417–418 [10]} Au cours du 3e quart du XVIe siècle, Taqi al-Din a construit une horloge avec des marques toutes les 1/5 de minute. ^[11] En 1579, Jost Bürgi a construit une horloge pour Guillaume de Hesse qui a marqué les secondes. ^{[9] : 105} En 1581, Tycho Brahe a redessiné des horloges qui n'avaient affiché que les minutes à son observatoire afin qu'elles affichent également les secondes, même si ces secondes n'étaient pas exactes. En 1587, Tycho se plaignit que ses quatre horloges étaient en désaccord de plus ou moins quatre secondes. ^{[9] : 104}

En 1656, le scientifique néerlandais Christiaan Huygens a inventé la première horloge à pendule. Il avait une longueur de pendule d'un peu moins d'un mètre, ce qui lui donnait une oscillation d'une seconde, et un échappement qui tiquait toutes les secondes. C'était la première horloge capable de garder l'heure avec précision en quelques secondes. Dans les années 1730, 80 ans plus tard, les chronomètres maritimes de John Harrison pouvaient garder le temps précis à moins d'une seconde en 100 jours.

En 1832, Gauss proposa d'utiliser la seconde comme unité de base de temps dans son système d'unités millimètre-milligramme-seconde . L' Association britannique pour l'avancement de la science (BAAS) déclara en 1862 que «tous les hommes de science sont convenus d'utiliser la seconde du temps solaire moyen comme unité de temps». ^[12] BAAS a officiellement proposé le système CGS en 1874, bien que ce système ait été progressivement remplacé au cours des 70 années suivantes par des unités MKS . Les systèmes CGS et MKS utilisaient la même seconde que leur unité de temps de base. MKS a été adopté internationalement au cours des années 1940, définissant le second comme 1 ⁄ 86 400 d'un jour solaire moyen.

Fraction d'une année d'éphémérides

À la fin des années 1940, des horloges oscillateurs à quartz avec une fréquence de fonctionnement d'environ 100 kHz ont avancé pour garder l'heure avec une précision meilleure que 1 partie sur 10 ⁸ sur une période de fonctionnement d'une journée. Il est devenu évident qu'un consensus de telles horloges gardait un meilleur temps que la rotation de la Terre. Les métrologues savaient également que l'orbite de la Terre autour du Soleil (un an) était beaucoup plus stable que la rotation de la Terre. Cela a conduit à des propositions dès 1950 pour définir la seconde comme une fraction d'année.

Le mouvement de la Terre a été décrit dans les Tables du Soleil de Newcomb (1895), qui ont fourni une formule pour estimer le mouvement du Soleil par rapport à l'époque 1900 sur la base d'observations astronomiques faites entre 1750 et 1892. ^[13] Cela a abouti à l'adoption d'un Échelle de temps des éphémérides exprimée en unités de l' année sidérale à cette époque par l' AIU en 1952. ^[14] Cette échelle de temps extrapolée met les positions observées des corps célestes en accord avec les théories dynamiques newtoniennes de leur mouvement. ^[13] En 1955, l' année tropicale , considérée comme plus fondamentale que l'année sidérale, a été choisie par l'AIU comme unité de temps. L'année tropicale dans la définition n'a pas été mesurée mais calculée à partir d'une formule décrivant une année tropicale moyenne qui a diminué linéairement avec le temps.

En 1956, la seconde a été redéfinie en termes d'une année par rapport à cette époque . La seconde a donc été définie comme "la fraction 1 ⁄ 31 556 925,9747 de l'année tropicale pour 1900 janvier 0 à 12 heures, heure des éphémérides ". ^[13] Cette définition a été adoptée dans le cadre du Système international d'unités en 1960. ^[15]

"Atomic" seconde

Mais même les meilleures horloges mécaniques, motorisées électriques et à quartz développent des écarts par rapport aux conditions environnementales. La "vibration" naturelle et exacte d'un atome énergisé est bien meilleure pour le chronométrage. La fréquence de vibration (c'est-à-dire le rayonnement) est très spécifique en fonction du type d'atome et de la façon dont il est excité. ^[16] Depuis 1967, la seconde a été définie comme exactement "la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l' atome de césium 133 " (à une température de 0 K ) . Cette longueur d'une seconde a été choisie pour correspondre exactement à la longueur de la seconde éphéméride définie précédemment. Les horloges atomiques utilisent une telle fréquence pour mesurer les secondes en comptant les cycles par seconde à cette fréquence. Le rayonnement de ce type est l'un des phénomènes les plus stables et reproductibles de la nature. La génération actuelle d'horloges atomiques est précise à une seconde près en quelques centaines de millions d'années.

Les horloges atomiques définissent désormais la durée d'une seconde et la norme de temps pour le monde. ^[17]

Les préfixes SI sont couramment utilisés pour des durées inférieures à une seconde, mais rarement pour des multiples de seconde. Au lieu de cela, certaines unités non-SI sont autorisées à être utilisées en SI : minutes , heures , jours et en astronomie des années juliennes . ^[18]

• Ordres de grandeur (temps)
• Pendule des secondes
• Heure standard

• Laboratoire national de physique: étalons de fréquence optique des ions piégés
• Horloge optique à ions strontium de haute précision ; Laboratoire national de physique (2005)
• Conseil national de recherches du Canada: norme de fréquence optique basée sur un seul ion piégé
• NIST: Définition de la seconde ; notez que l'atome de césium doit être dans son état fondamental à 0 K
• Définition officielle du BIPM de la seconde
• La seconde intercalaire: son histoire et son avenir possible
• Qu'est-ce qu'une horloge à atomes de césium?
• Précision de l'heure - Astronoo
• SLAC: Scales of Time - Notre univers de 10 ^ 18 à 10 ^ -18 secondes