Second
Symbol: sWorldwide
Was ist ein/eine Second (s)?
Formale Definition
Die Sekunde (Symbol: s) ist die Basiseinheit der Zeit im Internationalen Einheitensystem (SI). Seit 1967 wird sie als die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung definiert, die dem Übergang zwischen den beiden hyperfeinen Niveaus des Grundzustands des ruhenden Cäsium-133-Atoms bei absolutem Nullpunkt entspricht. Diese atomare Definition ersetzte die früheren astronomischen Definitionen, die auf der Erdrotation basierten.
Die Sekunde ist die einzige SI-Basiseinheit der Zeit, und alle anderen Zeiteinheiten — von der Nanosekunde bis zum Jahr — leiten sich von ihr ab oder werden in Bezug auf sie definiert. Die Sekunde bildet auch die Grundlage für die Definitionen anderer SI-Einheiten: Der Meter wird über die Lichtgeschwindigkeit definiert (die Strecke, die Licht in 1/299.792.458 einer Sekunde zurücklegt), und das Kilogramm wird über die Planck-Konstante definiert, die Sekunden umfasst.
Präzision und Stabilität
Cäsium-Atomuhren erreichen eine Präzision von etwa einem Teil in 10¹³, was bedeutet, dass sie in etwa 300.000 Jahren nicht mehr als eine Sekunde gewinnen oder verlieren würden. Optische Atomuhren, die Strontium- oder Ytterbium-Atome verwenden, erreichen sogar eine noch höhere Präzision — ein Teil in 10¹⁸ — und werden voraussichtlich die Grundlage für eine zukünftige Neudefinition der Sekunde bilden.
Etymology
Lateinische Ursprünge
Das Wort "Sekunde" stammt vom mittelalterlichen Latein "secunda minuta," was "zweiter kleiner Teil" bedeutet. Im mittelalterlichen System der Zeitteilung wurde die Stunde zuerst in sechzig "minuten" Teile (vom Lateinischen "pars minuta prima," die "erste kleine Teilung") unterteilt, was Minuten ergab. Jede Minute wurde dann in sechzig "zweite" kleine Teile — die "secunda minuta" — unterteilt, was uns Sekunden gab. Dieses sexagesimale (Basis-60) System wurde aus der babylonischen Mathematik übernommen.
Babylonisches Erbe
Die Babylonier verwendeten ein Basis-60-Zahlensystem für astronomische Berechnungen bereits um 2000 v. Chr. Dieses System wurde durch die griechische Astronomie (insbesondere Ptolemäus' Almagest, ca. 150 n. Chr.) in die mittelalterliche islamische und europäische Wissenschaft übertragen. Die Unterteilung der Stunde in 60 Minuten und 3.600 Sekunden ist ein direktes Erbe der babylonischen Mathematik, das über vier Jahrtausende überdauert hat.
Geschichte
Astronomische Ursprünge
In der meisten aufgezeichneten Geschichte wurde die Sekunde als ein Bruchteil des Tages definiert. Die ägyptische Unterteilung von Tag- und Nachtzeit in jeweils 12 Stunden (ca. 1500 v. Chr.) wurde von griechischen und islamischen Astronomen verfeinert. Im 17. Jahrhundert hatten mechanische Uhren mit Sekundenzeigern die Sekunde zu einer praktischen Einheit gemacht. Die Sekunde wurde formal als 1/86.400 eines mittleren Sonnentages (24 Stunden × 60 Minuten × 60 Sekunden) definiert.
Ephemeriszeit
Bis zum frühen 20. Jahrhundert erkannten Astronomen, dass die Erdrotation nicht perfekt gleichmäßig ist — sie verlangsamt sich allmählich aufgrund der Gezeitenreibung mit dem Mond. 1956 wurde die Sekunde als 1/31.556.925,9747 des tropischen Jahres 1900 neu definiert, eine Definition, die auf der orbitalen Bewegung der Erde und nicht auf ihrer Rotation basiert. Diese "Ephemeris-Sekunde" wurde 1960 von der CGPM angenommen.
Die Atomare Definition
1967 definierte die 13. Allgemeine Konferenz für Maß und Gewicht die Sekunde neu, indem sie die hyperfeine Übergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms verwendete. Louis Essen und Jack Parry vom National Physical Laboratory des Vereinigten Königreichs hatten 1955 die erste genaue Cäsium-Atomuhr gebaut und bewiesen, dass atomare Übergänge viel stabiler waren als jede astronomische Referenz. Die atomare Sekunde ist seit 1967 unverändert geblieben und ist die am längsten bestehende Definition unter den aktuellen SI-Basiseinheiten.
Zukünftige Neudefinition
Optische Atomuhren, die bei Frequenzen arbeiten, die Hunderttausende von Malen höher sind als Mikrowellen-Cäsiumuhren, erreichen jetzt Präzision, die 100 bis 1.000 Mal besser ist. Die internationale Metrologie-Community arbeitet auf eine Neudefinition der Sekunde hin, die auf einem optischen Übergang basiert, möglicherweise in Strontium-87 oder Ytterbium-171, die um 2030 erwartet wird.
Aktuelle Verwendung
Universelle Zeitmessung
Die Sekunde ist die grundlegende Einheit der Zeitmessung weltweit. Die koordinierte Weltzeit (UTC), die Grundlage für die zivile Zeit in allen Ländern, wird von einem Netzwerk von über 400 Atomuhren in etwa 80 Laboren weltweit aufrechterhalten. UTC-Sekunden sind SI-Sekunden, wobei gelegentlich Schaltsekunden eingefügt werden, um UTC innerhalb von 0,9 Sekunden der Erdrotation (UT1) zu halten.
Technologie und Computing
In der Informatik definiert die Sekunde die Taktfrequenzen von Prozessoren, Netzwerkverzögerungen und Datenübertragungsraten. Eine moderne CPU arbeitet mit Milliarden von Zyklen pro Sekunde (GHz). Die Internetverzögerung wird in Millisekunden gemessen. Finanzhandelssysteme messen Ausführungszeiten in Mikrosekunden oder Nanosekunden.
Wissenschaft und Ingenieurwesen
Die Sekunde ist grundlegend für alle Zweige der Wissenschaft. In der Physik wird die Lichtgeschwindigkeit genau mit 299.792.458 Metern pro Sekunde definiert. Die Erdbeschleunigung beträgt etwa 9,81 m/s². Die Reaktionsgeschwindigkeiten chemischer Reaktionen werden pro Sekunde ausgedrückt. In der Medizin wird die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute gemessen (Sekunden sind die zugrunde liegende Einheit).
Everyday Use
Tägliche Zeitmessung
Menschen verwenden Sekunden ständig, oft unbewusst. Ampeln zählen in Sekunden herunter. Mikrowellenherde werden in Sekunden eingestellt. Trainingsintervalle werden in Sekunden gestoppt. Eieruhren zählen Minuten und Sekunden. Die "Fünf-Sekunden-Regel" für fallen gelassenes Essen ist ein beliebter (wenn auch wissenschaftlich fragwürdiger) kultureller Bezug.
Sport und Wettbewerb
Sekunden bestimmen sportliche Ergebnisse. Der Weltrekord im 100-Meter-Sprint (9,58 Sekunden von Usain Bolt) wird auf die Hundertstelsekunde gestoppt. Schwimmrekorde werden auf die Hundertstelsekunde gemessen. Die Qualifikationsabstände in der Formel 1 liegen oft bei Tausendstelsekunden. Foto-Finish kann Unterschiede von 0,001 Sekunden auflösen.
Musik und Rhythmus
Das musikalische Tempo wird in Schlägen pro Minute (BPM) definiert, wobei jeder Schlag einen Bruchteil einer Sekunde dauert. Bei 120 BPM dauert jeder Schlag 0,5 Sekunden. Musikproduktionssoftware misst die Zeit in Sekunden und Millisekunden. Die menschliche Wahrnehmung von Rhythmus kann Zeitunterschiede von nur 10-20 Millisekunden erkennen.
In Science & Industry
Fundamentale Physik
Die Sekunde ist integraler Bestandteil der Definitionen fundamentaler physikalischer Konstanten und SI-Einheiten. Die Lichtgeschwindigkeit: 299.792.458 m/s. Gravitationskonstante: 6,674 × 10⁻¹¹ m³·kg⁻¹·s⁻². Plancksches Wirkungsquantum: 6,626 × 10⁻³⁴ kg·m²·s⁻¹. Jede mechanische, elektromagnetische und thermische Größe in der Physik umfasst die Sekunde.
Atomphysik und Metrologie
Die Übergangsfrequenz des Cäsium-133 (9.192.631.770 Hz) ist die präziseste gemessene Größe in der Physik. Optische Uhren messen jetzt Frequenzen bei 10¹⁴ bis 10¹⁵ Hz mit fraktionalen Unsicherheiten unter 10⁻¹⁸, was Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, die Suche nach dunkler Materie und die Überwachung der Stabilität fundamentaler Konstanten ermöglicht.
GPS und Navigation
Das Global Positioning System ist auf präzise Zeitmessung angewiesen. GPS-Satelliten tragen Atomuhren, die auf Billionstel einer Sekunde synchronisiert sind. Ein Timing-Fehler von nur einer Nanosekunde verursacht einen Positionsfehler von etwa 30 Zentimetern. Die GPS-Zeit wird vom US Naval Observatory aufrechterhalten und unterscheidet sich derzeit um 18 Sekunden von UTC (Stand 2024).
Interesting Facts
A caesium atomic clock loses or gains no more than one second in approximately 300,000 years. Optical clocks are even better — they would not lose a second in the entire age of the universe (13.8 billion years).
Light travels approximately 299,792 km in one second — enough to circle the Earth about 7.5 times. This fact underpins the SI definition of the meter.
The human blink takes about 0.1-0.4 seconds. In that time, a modern computer processor can execute billions of operations.
Earth's rotation is slowing by about 2.3 milliseconds per century due to tidal interactions with the Moon. In 600 million years, a day will last about 28 hours.
The shortest directly measured time interval is approximately 247 zeptoseconds (247 × 10⁻²¹ seconds), measured in 2020 by tracking the time it takes for a photon to cross a hydrogen molecule.
Usain Bolt's 100m world record of 9.58 seconds means he averaged 37.58 km/h, reaching a peak speed of about 44.7 km/h. The difference between gold and silver was 0.11 seconds.
The leap second system, introduced in 1972, has added 27 seconds to UTC as of 2024. The decision to abolish leap seconds was made in 2022, with the change taking effect by 2035.