O segundo, de símbolo s, é uma unidade de tempo que deriva da divisão do dia em 24 horas, de cada hora em 60 minutos e de cada minuto em 60 segundos, o que totaliza 24 × 60 × 60 = 86.400 segundos por dia. Essa definição, baseada em 1/86.400 de uma rotação da Terra, ainda é usada pelo sistema Tempo Universal 1, ou UT1.
O segundo [...] é definido fixando-se em 9.192.631.770 o valor numérico da frequência do césio, ΔνCs, que corresponde à frequência da transição hiperfina do estado fundamental não perturbado do átomo de césio-133, quando expressa na unidade hertz, igual a s−1.
Essa definição foi adotada em 1967, quando os relógios de césio permitiram definir o segundo com base em propriedades fundamentais da natureza. Como a velocidade de rotação da Terra varia e diminui muito lentamente, um segundo bissexto é acrescentado em intervalos irregulares à hora civil para manter os relógios sincronizados com a rotação terrestre.
Etimologia
"Minuto" vem do latim pars minuta prima, que significa "primeira parte pequena" e corresponde à primeira divisão da hora em 60 partes. "Segundo" vem de pars minuta secunda, "segunda parte pequena", uma nova divisão em 60 partes.
Usos
Os relógios analógicos, inclusive os de pulso, costumam ter sessenta marcas no mostrador para os segundos e os minutos, além de um "ponteiro dos segundos" que acompanha a passagem do tempo nessa unidade. Os relógios digitais costumam ter um contador de segundos com dois algarismos.
Os prefixos do Sistema Internacional de Unidades são usados com frequência para formar subdivisões do segundo, como milissegundos, que são milésimos de segundo, microssegundos, que são milionésimos, nanossegundos, que são bilionésimos, e unidades ainda menores. Os múltiplos de segundos costumam ser contados em horas e minutos. Embora os prefixos do SI também permitam formar múltiplos como o quilossegundo, equivalente a mil segundos, essas unidades são pouco usadas. Um exemplo próximo do cotidiano é o microprocessador de 1 gigahertz, cujo ciclo dura 1 nanossegundo. A velocidade do obturador de uma câmera costuma ser expressa em frações de segundo, como 1/30 ou 1/1.000 de segundo.
As divisões sexagesimais do dia em calendários baseados na observação astronômica existem desde o terceiro milênio a.C., embora não correspondessem ao segundo tal como ele é usado na atualidade. Não era possível medir intervalos tão pequenos, e essas divisões eram obtidas por cálculos matemáticos. Os primeiros instrumentos capazes de contar segundos com precisão foram os relógios de pêndulo, inventados no século XVII. A partir da década de 1950, os relógios atômicos passaram a medir o tempo com mais precisão do que a rotação da Terra e se tornaram o padrão de medição.
Relógios e tempo solar
Um relógio mecânico não depende da medição da posição da Terra em sua rotação e, dentro dos limites de sua precisão, mede um tempo uniforme, chamado tempo médio. Cada segundo, minuto ou outra divisão do tempo que ele conta tem a mesma duração que as demais divisões iguais. Já um relógio de sol mede o tempo pela posição relativa do Sol no céu, chamado tempo aparente, que não é uniforme. A medição de um relógio de sol varia conforme a época do ano, de modo que seus segundos, minutos e outras divisões do tempo têm durações diferentes ao longo do ano. O horário obtido pelo tempo médio pode diferir do obtido pelo tempo aparente em até 15 minutos, mas a diferença de um dia para o seguinte é pequena. Os 15 minutos resultam de um acúmulo ao longo de parte do ano. Esse efeito se deve sobretudo à inclinação do eixo da Terra em relação à sua órbita ao redor do Sol.
Os astrônomos conheciam a diferença entre o tempo solar aparente e o tempo médio desde a Antiguidade. Até a invenção de relógios mecânicos precisos, em meados do século XVII, os relógios de sol eram os únicos instrumentos confiáveis de medição do tempo, e o tempo solar aparente era o único padrão geralmente aceito.
Acontecimentos e unidades de tempo em segundos
As frações de segundo costumam ser expressas em notação decimal, como 2,01 segundos, ou dois segundos e um centésimo de segundo. Os múltiplos de segundos costumam ser expressos em minutos e segundos, ou em horas, minutos e segundos, separados por dois-pontos, como 11:23:24 ou 45:23. A segunda forma pode ser ambígua, pois também é usada para indicar horas e minutos. Raramente é conveniente expressar intervalos maiores, como horas ou dias, em segundos, pois os números se tornam grandes e pouco práticos. Os prefixos decimais permitem expressar valores de 10−30 a 1030 segundos.
Um minuto tem 60 segundos, uma hora tem 3.600, um dia tem 86.400 e uma semana tem 604.800. Um ano que não seja bissexto tem 31.536.000 segundos, e um século do calendário gregoriano tem, em média, 3.155.695.200 segundos. Esses valores não incluem eventuais segundos bissextos. Na astronomia, um ano juliano corresponde exatamente a 31.557.600 segundos.
Em um segundo, uma pedra que parte do repouso cai cerca de 4,9 metros. Um pêndulo com aproximadamente um metro de comprimento leva um segundo para ir de um extremo ao outro, razão pela qual os pêndulos dos relógios têm cerca de um metro. Os velocistas humanos mais rápidos percorrem 10 metros em um segundo. Nesse mesmo intervalo, uma onda oceânica em águas profundas percorre cerca de 23 metros, e o som percorre cerca de 343 metros no ar. A luz leva 1,3 segundo para chegar à Terra a partir da superfície da Lua, a uma distância de 384.400 quilômetros.
Outras unidades que usam o segundo
O segundo entra diretamente na composição de outras unidades, como o hertz, usado para medir a frequência e equivalente ao segundo recíproco, s−1, o metro por segundo, para a velocidade, e o metro por segundo ao quadrado, para a aceleração. O becquerel, unidade do sistema métrico usada para medir o decaimento radioativo, também equivale ao segundo recíproco. Potências mais altas do segundo entram nas unidades de derivadas da aceleração, como a arrancada. Muitas unidades derivadas usadas no cotidiano empregam unidades de tempo maiores que o segundo, mas suas definições também dependem do segundo do SI. É o caso do tempo expresso em horas e minutos, da velocidade de um carro em quilômetros por hora, do consumo de eletricidade em quilowatts-hora e da velocidade de um toca-discos em rotações por minuto.
A maioria das outras unidades básicas do SI também é definida em relação ao segundo. O metro é definido fixando-se a velocidade da luz no vácuo em exatamente 299.792.458 m/s. As definições do quilograma, do ampere, do kelvin e da candela também dependem do segundo. A única unidade básica cuja definição não depende dele é o mol. Entre as 22 unidades derivadas com nomes próprios, apenas o radiano e o esferorradiano não dependem do segundo.
Um conjunto de relógios atômicos distribuídos pelo mundo mede o tempo por consenso. Os relógios "votam" no horário correto e são ajustados para concordar com esse consenso, chamado Tempo Atômico Internacional, ou TAI. O TAI conta segundos atômicos.:207–218
A hora civil é definida de modo a acompanhar a rotação da Terra. O padrão internacional de medição do tempo é o Tempo Universal Coordenado, ou UTC. Essa escala conta os mesmos segundos atômicos do TAI, mas acrescenta ou retira segundos bissextos quando necessário para compensar as variações na velocidade de rotação da Terra.:16–17, 207
O UT1 é uma escala cujos segundos não são exatamente iguais aos segundos atômicos. Trata-se de uma forma de tempo universal, definida pela rotação da Terra em relação ao Sol e sem segundos bissextos.:68, 232 A diferença entre UT1 e UTC é sempre inferior a um segundo.
Os relógios de rede óptica operam em frequências do espectro da luz visível e são os instrumentos mais precisos de medição do tempo, embora ainda não integrem nenhum padrão de tempo. Na década de 2010, um relógio de estrôncio com frequência de 430 THz, na faixa vermelha da luz visível, detinha o recorde de precisão. Ele adianta ou atrasa menos de um segundo em 15 bilhões de anos, intervalo maior que a idade estimada do Universo. Esse relógio consegue medir uma mudança de apenas 2 cm em sua altitude pela alteração no ritmo de sua contagem causada pela dilatação gravitacional do tempo.
O segundo teve três definições: uma fração do dia, uma fração de um ano extrapolado e uma duração baseada na frequência de micro-ondas de um relógio atômico de césio. Cada uma delas concretizou uma divisão sexagesimal do dia.
Divisões sexagesimais do calendário e do dia
As civilizações da Antiguidade clássica e de períodos anteriores usavam o sistema sexagesimal para dividir o calendário e os arcos. Nesse uso astronômico, o segundo era uma subdivisão sexagesimal do dia, equivalente a dia/60², enquanto o segundo moderno é uma subdivisão da hora, equivalente a hora/60². Os relógios de sol e de água estavam entre os primeiros instrumentos de medição do tempo, e as unidades de tempo eram medidas em graus de arco. Também eram usadas unidades conceituais de tempo menores do que aquelas que os relógios de sol podiam medir.
Os filósofos naturais da Idade Média mencionavam o "segundo" como parte de um mês lunar. Essas subdivisões eram matemáticas e não podiam ser medidas mecanicamente.
Os primeiros relógios mecânicos, que surgiram a partir do século XIV, tinham mostradores que dividiam a hora em metades, terços, quartos e, por vezes, em 12 partes, mas nunca em 60. A hora não costumava ser dividida em 60 minutos, pois sua duração não era uniforme. Só se tornou prático contar minutos quando surgiram os primeiros relógios mecânicos que os exibiam, perto do fim do século XVI. Os relógios mecânicos mediam o tempo médio, enquanto os relógios de sol mostravam o tempo aparente. As divisões sexagesimais do tempo já estavam bem estabelecidas na Europa.
Os primeiros relógios que mostravam segundos surgiram na segunda metade do século XVI. O desenvolvimento dos relógios mecânicos tornou possível medir o segundo com precisão. O mais antigo relógio movido a mola com ponteiro dos segundos é uma peça sem assinatura da coleção Fremersdorf, datada de 1560 a 1570 e com uma representação de Orfeu.:417–418 No terceiro quarto do século XVI, Taqi al-Din construiu um relógio com marcas a cada 1/5 de minuto.
Em 1579, Jost Bürgi construiu para Guilherme de Hesse um relógio que marcava segundos.:105 Em 1581, Tycho Brahe modificou os relógios de seu observatório, que até então só mostravam minutos, para que também mostrassem segundos, embora sem precisão. Em 1587, Tycho reclamou que seus quatro relógios divergiam em até quatro segundos para mais ou para menos.:104
Em 1656, o cientista neerlandês Christiaan Huygens inventou o primeiro relógio de pêndulo. Seu pêndulo tinha pouco menos de um metro, levava um segundo para ir de um extremo ao outro e acionava um escape que dava um tique a cada segundo. Foi o primeiro relógio capaz de medir o tempo em segundos com precisão. Na década de 1730, cerca de 80 anos depois, os cronômetros marítimos de John Harrison já mediam o tempo com erro de até um segundo em 100 dias.
Em 1832, Gauss propôs usar o segundo como unidade básica de tempo em seu sistema de unidades milímetro-miligrama-segundo. Em 1862, a Associação Britânica para o Avanço da Ciência, ou BAAS, declarou que "todos os homens de ciência concordam em usar o segundo do tempo solar médio como unidade de tempo". A BAAS propôs formalmente o sistema CGS em 1874. Nos 70 anos seguintes, ele foi gradualmente substituído pelo sistema MKS. Os dois usavam o mesmo segundo como unidade básica de tempo. O MKS foi adotado internacionalmente na década de 1940 e definia o segundo como 1/86.400 de um dia solar médio.
No fim da década de 1940, os relógios com osciladores de cristal de quartzo, que operavam em frequências de cerca de 100 kHz, passaram a medir o tempo com erro inferior a uma parte em 108 ao longo de um dia. Ficou claro que a combinação das medições desses relógios era mais precisa do que a rotação da Terra. Os especialistas em metrologia do tempo também sabiam que a órbita da Terra ao redor do Sol, correspondente a um ano, era muito mais estável do que sua rotação. Já em 1950, surgiram propostas de definir o segundo como fração de um ano.
As Tables of the Sun, de Newcomb, publicadas em 1895, apresentavam uma fórmula para estimar o movimento do Sol em relação à época de 1900, com base em observações astronômicas feitas entre 1750 e 1892. Em 1952, a União Astronómica Internacional, ou UAI, adotou uma escala de tempo de efemérides expressa em unidades do ano sideral nessa época. Essa escala extrapolada faz com que as posições observadas dos corpos celestes concordem com as teorias newtonianas da dinâmica de seus movimentos. Em 1955, a UAI escolheu o ano tropical como unidade de tempo, por considerá-lo mais fundamental que o ano sideral. O ano tropical usado na definição não foi medido, mas calculado por uma fórmula para um ano tropical médio que diminuía linearmente com o passar do tempo.
Em 1956, o segundo foi redefinido em função de um ano relativo àquela época. A definição passou a ser "a fração 1/31.556.925,9747 do ano tropical em 0 de janeiro de 1900, às 12 horas do tempo de efemérides". Essa definição foi adotada como parte do Sistema Internacional de Unidades em 1960.
Definição atômica
Mesmo os melhores relógios mecânicos, movidos a motor elétrico ou baseados em cristais de quartzo sofrem alterações causadas pelas condições ambientais. A "vibração" natural e exata de um átomo excitado permite medir o tempo com muito mais precisão. A frequência dessa vibração, isto é, da radiação, tem um valor bem definido que depende do tipo de átomo e de como ele é excitado. Desde 1967, o segundo é definido como "a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133". Essa duração foi escolhida para corresponder exatamente à do segundo de efemérides definido anteriormente. Os relógios atômicos medem os segundos pela contagem dos ciclos dessa frequência. Esse tipo de radiação é um dos fenômenos mais estáveis e reproduzíveis da natureza. A geração atual de relógios atômicos tem erro de até um segundo em algumas centenas de milhões de anos. Desde 1967, foram desenvolvidos relógios atômicos baseados em outros átomos, com precisão cem vezes maior, e está prevista uma nova definição do segundo.
Os relógios atômicos estabelecem a duração do segundo e o padrão de tempo mundial.:231–232
Pelas decisões da 8.ª Assembleia Geral da União Astronômica Internacional, realizada em Roma em 1952, o segundo do tempo de efemérides, ET, é a fração do ano tropical em 0 de janeiro de 1900, às 12 h ET.
O segundo é a fração do ano tropical em 0 de janeiro de 1900, às 12 horas do tempo de efemérides.
CIPM, 1956. Resolução 9 da 11.ª CGPM, 1960.
O padrão a ser usado é a transição entre os níveis hiperfinos F = 4, M = 0 e F = 3, M = 0 do estado fundamental do átomo de césio-133, sem perturbação por campos externos. À frequência dessa transição é atribuído o valor de 9.192.631.770 hertz.
O segundo é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133.
Resolução 1 da 13.ª CGPM. CIPM, 1967.
Essa definição pressupõe que o átomo de césio esteja em repouso e sem perturbações. Na sua realização prática, as medições devem ser corrigidas para levar em conta a velocidade dos átomos em relação ao referencial do relógio, os campos magnéticos e elétricos, inclusive a radiação de corpo negro do ambiente, os efeitos de troca de spin e outras possíveis perturbações.
Em sua reunião de 1997, o CIPM afirmou que essa definição se refere a um átomo de césio em repouso à temperatura de 0 K. A nota esclarece que a definição do segundo do SI se baseia em um átomo de Cs sem perturbação pela radiação de corpo negro, isto é, em um ambiente à temperatura de 0 K. As frequências dos padrões primários de frequência devem ser corrigidas para compensar o desvio causado pela radiação ambiente, como estabelecido na reunião do Comitê Consultivo de Tempo e Frequência, CCTF, em 1999.
Nota de rodapé acrescentada na 14.ª reunião do Comitê Consultivo de Tempo e Frequência, em 1999. Nota de rodapé acrescentada na 86.ª reunião do CIPM, em 1997. CGPM, 1998, 7.ª edição da Brochura do SI.
A definição de uma unidade se refere a uma situação idealizada, que só pode ser alcançada na realização prática com alguma incerteza. A definição do segundo deve ser entendida como relativa a átomos livres de perturbações, em repouso e sem campos elétricos ou magnéticos. Uma futura redefinição do segundo seria justificável se essas condições idealizadas pudessem ser alcançadas com muito mais facilidade do que com a definição vigente.
A definição do segundo deve ser entendida como a definição da unidade de tempo próprio. Ela se aplica a uma pequena região do espaço que acompanha o movimento do átomo de césio usado para realizar a definição.
Em um laboratório pequeno o suficiente para que os efeitos da falta de uniformidade do campo gravitacional sejam desprezíveis em comparação com as incertezas da realização do segundo, o segundo próprio é obtido após a correção da relatividade restrita para a velocidade do átomo no laboratório. É incorreto fazer uma correção para o campo gravitacional local.
O segundo, de símbolo s, é a unidade de tempo do SI. Ele é definido fixando-se em 9.192.631.770 o valor numérico da frequência do césio, ΔνCs, que corresponde à frequência da transição hiperfina do estado fundamental não perturbado do átomo de césio-133, quando expressa na unidade Hz, igual a s−1.
A menção a um átomo não perturbado esclarece que a definição do segundo do SI se baseia em um átomo isolado de césio, sem perturbação por campos externos, como a radiação de corpo negro do ambiente.
O segundo assim definido é a unidade de tempo próprio no sentido da teoria da relatividade geral. Para estabelecer uma escala de tempo coordenada, são combinados os sinais de relógios primários em locais diferentes. Esses sinais precisam ser corrigidos para compensar os desvios relativísticos da frequência do césio, como explicado na seção 2.3.6 da Brochura do SI.
O CIPM adotou representações secundárias do segundo baseadas em linhas espectrais selecionadas de átomos, íons ou moléculas. As frequências não perturbadas dessas linhas podem ser determinadas com uma incerteza relativa que não é inferior à da realização do segundo baseada na frequência da transição hiperfina do 133Cs, mas algumas podem ser reproduzidas com maior estabilidade.
Definição vigente, aprovada pela 26.ª CGPM em 2018, com entrada em vigor em 20 de maio de 2019. 9.ª edição da Brochura do SI.
Futura redefinição
Em 2022, a realização mais precisa do segundo era obtida com relógios de césio usados como padrões primários, como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU-CsFO2 e SYRTE-FO2. Esses relógios resfriam por laser uma nuvem de átomos de césio até um microkelvin, 10−6 K, em uma armadilha magneto-óptica. Os átomos frios são lançados verticalmente por luz laser e passam por uma excitação de Ramsey em uma cavidade de micro-ondas. Feixes de laser detectam então a fração de átomos excitados. Esses relógios têm incerteza sistemática de 5 × 10−16, equivalente a 50 picossegundos por dia. Um conjunto de fontes atômicas distribuídas pelo mundo participa da determinação do Tempo Atômico Internacional. Esses relógios de césio também dão suporte às medições de frequências ópticas.
Os relógios ópticos usam transições ópticas proibidas em íons ou átomos. Suas frequências ficam em torno de 1015 Hz, com largura natural de linha geralmente de 1 Hz, de modo que o fator de qualidade é de cerca de 1015 ou mais. Sua estabilidade é superior à dos relógios de micro-ondas, o que facilita a avaliação de incertezas menores. Eles também têm melhor resolução temporal, pois o relógio "bate" mais depressa. Os relógios ópticos usam um único íon ou uma rede óptica com 104 a 106 átomos.
Constante de Rydberg
Uma definição baseada na constante de Rydberg exigiria fixar o valor dessa constante:
.
A constante de Rydberg permite expressar os níveis de energia de um átomo de hidrogênio pela aproximação não relativística .
A única forma viável de fixar a constante de Rydberg envolve aprisionar e resfriar hidrogênio. Isso é difícil porque o hidrogênio é muito leve e seus átomos se movem muito depressa, o que causa desvios Doppler. Também é difícil produzir a radiação de 121,5 nm necessária para resfriá-lo. Outro obstáculo é reduzir a incerteza dos cálculos de eletrodinâmica quântica, em especial a do desvio de Lamb na transição 1s-2s do átomo de hidrogênio.
Requisitos
Uma redefinição exige maior confiabilidade dos relógios ópticos. Esses relógios precisam participar da determinação do TAI antes que o BIPM confirme a redefinição. Também é necessário desenvolver um método consistente de transmissão dos sinais, como a fibra óptica.
Padrão de tempo, convenções para medir intervalos e estabelecer horários
Relógio atômico, instrumento usado para realizar a definição do segundo
Segundo intercalar, ajuste que mantém o UTC próximo do tempo baseado na rotação da Terra
Notas
↑A hora civil é ajustada, direta ou indiretamente, ao Tempo Universal Coordenado, que inclui segundos bissextos. Nos campos científico e técnico, também são usadas escalas de tempo sem segundos bissextos.
↑Em 1000, o estudioso persaAlbiruni, escrevendo em árabe, usou o termo segundo e expressou o tempo das luas novas de determinadas semanas em dias, horas, minutos, segundos, terços e quartos após o meio-dia de domingo.
↑Em 1267, o cientista inglês medieval Roger Bacon, escrevendo em latim, expressou o tempo das luas cheias em horas, minutos, segundos, terços e quartos, horae, minuta, secunda, tertia e quarta, após o meio-dia de determinadas datas do calendário.
↑O número 60 é o menor múltiplo comum dos seis primeiros inteiros positivos. Um relógio com 60 divisões tem marcas para terços, quartos, quintos, sextos e duodécimos, estes últimos correspondentes às horas. Dessa forma, as unidades em que o relógio provavelmente mediria o tempo teriam suas próprias marcas.
1234Gill, Patrick (28 de outubro de 2011). «When should we change the definition of the second?». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (em inglês). 369 (1953): 4109–4130. Bibcode:2011RSPTA.369.4109G. PMID21930568. doi:10.1098/rsta.2011.0237
↑Willsberger, Johann (1975). Clocks & watches (em inglês). Nova Iorque: Dial Press. ISBN0-8037-4475-7. (pede registo (ajuda)) Fotografia colorida de página inteira, a terceira após a quarta página de legendas. As páginas e as fotografias não são numeradas.
↑McCarthy, Dennis D.; Seidelmann, P. Kenneth (2009). «Definition and Role of a Second». Time: From Earth Rotation to Atomic Physics (em inglês). Weinheim: Wiley
↑International Astronomical Union. «Recommendations Concerning Units» (em inglês). Consultado em 18 de fevereiro de 2007. Arquivado do original em 16 de fevereiro de 2007 Reproduzido do "IAU Style Manual", de G. A. Wilkinson, Comissão 5, em IAU Transactions XXB, de 1987.
.png)
