Sekund (s)

Definition, realisering och praktisk tidsmätning inom det internationella enhetssystemet

Tid är en grundläggande fysikalisk storhet som genomsyrar all naturvetenskap och teknik. Rörelse, energi, frekvens och hastighet kan alla ytterst beskrivas i termer av tid. Trots detta är det relativt få som känner till hur tidsenheten sekund i dag definieras och hur denna definition realiseras i praktisk mätning.

Den moderna sekunden är inte baserad på astronomiska observationer, utan definieras genom en exakt frekvens hos en atomär övergång. För att förstå detta är det, liksom för meter och kilogram, nödvändigt att skilja mellan definition, realisering och praktisk användning.

Sekundens definition i SI-systemet

Sedan 1967 är sekunden definierad inom det internationella enhetssystemet (SI) som:

varaktigheten av 9 192 631 770 perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan två hyperfina nivåer i grundtillståndet hos cesium-133-atomen.

Denna definition innebär att sekunden är direkt knuten till en frekvens, det vill säga ett antal upprepade svängningar per tidsenhet. Cesium-133-atomens hyperfina övergångsfrekvens, ofta betecknad Δν_Cs, har därmed ett exakt numeriskt värde i SI.

Sekunden är således inte längre relaterad till jordens rotation eller omlopp, utan till en reproducerbar atomär process.

Historisk bakgrund och motiv till omdefinitionen

Tidigare definitioner av sekunden baserades på astronomiska fenomen, främst jordens rotation kring sin egen axel. Dessa visade sig dock vara oregelbundna över längre tidsperioder, bland annat på grund av geofysiska processer.

Utvecklingen av atomfysik och mikrovågsteknik under 1900-talet gjorde det möjligt att definiera tid baserat på atomära övergångar med mycket hög stabilitet och reproducerbarhet. Övergången till den atomära definitionen 1967 markerade därför ett avgörande steg mot ett mer stabilt och universellt SI-system.

Definition, realisering och användning

Även för tidsmätning är det viktigt att skilja mellan tre nivåer:

Definitionen anger vad sekunden är i principiell mening och är knuten till cesiumatomens egenskaper.
Realiseringen avser de experimentella metoder genom vilka denna definition omsätts i faktiska tidsstandarder.
Användningen avser praktisk tidsmätning i teknik, vetenskap och vardag.

Realisering av sekunden: atomur

Sekunden realiseras i praktiken genom atomur, där cesiumatomens hyperfina övergång används som referensfrekvens.

I ett cesiumatomur:

exciteras cesiumatomer med mikrovågsstrålning
justeras mikrovågsfrekvensen tills maximal resonans uppnås
låses en oscillator till denna frekvens

När oscillatorn är stabiliserad mot den atomära övergången erhålls en tidsstandard som är direkt spårbar till SI-definitionen av sekunden.

Cesiumatomur utgör fortfarande den primära realiseringen av sekunden och används som referens i internationella tidsskalor.

Primära och sekundära frekvensstandarder

Cesiumatomur betraktas som primära frekvensstandarder, eftersom de realiserar sekunden direkt utan behov av kalibrering mot någon annan tidsstandard.

Utöver dessa används sekundära standarder, exempelvis väte-maserur och optiska atomur. Dessa kan uppvisa mycket hög korttidsstabilitet eller extrem noggrannhet, men är i dagsläget formellt spårbara till cesiumdefinitionen.

Optiska atomur, som baseras på övergångar i exempelvis strontium eller ytterbium, har redan demonstrerat bättre prestanda än cesiumur och förväntas på sikt ligga till grund för en framtida omdefinition av sekunden.

Sekundens roll i andra SI-enheter

Sekunden är en av de mest centrala basenheterna i SI-systemet. Många andra enheter är direkt beroende av tiden, exempelvis:

meter (via ljusets hastighet)
kilogram (via Plancks konstant)
hertz (frekvens)
watt (effekt)

En exakt och stabil definition av sekunden är därför avgörande för hela det sammanhängande SI-systemet.

Praktisk tidsmätning och tidsskalor

I praktisk användning kombineras många atomur till gemensamma tidsskalor. Den internationella atomtiden (TAI) är ett exempel på en sådan skala och baseras på ett stort antal atomur världen över.

Den koordinerade universella tiden (UTC), som används i vardagliga sammanhang, är baserad på TAI men justeras med skottsekunder för att hålla sig nära jordens rotation.

Dessa tidsskalor illustrerar skillnaden mellan strikt fysikalisk tidsdefinition och praktiska samhällsanpassade tidsystem.

Sammanfattning

Sekunden är i dag definierad genom en exakt frekvens hos cesium-133-atomen och utgör grunden för all modern tidsmätning. Genom atomur kan denna definition realiseras med mycket hög stabilitet och spårbarhet.

Samtidigt visar utvecklingen av optiska atomur att tidsmätningen fortsätter att förfinas. Sekundens definition är därmed både ett exempel på den nuvarande precisionen i SI-systemet och en indikator på framtida utveckling inom metrologin.